今回から記憶（メモリ）メモリ、いろいろなメモリデバイスコンピュータアーキテクチャ（９）山内長承メモリ階層とそれによるアクセス高速化コンピュータ内のいろいろなメモリいろいろな分類（性格付け）半導体メモリ、ハードディスク、光ディスクメモリ階層とはキャッシュ、仮想記憶の考え方、性能モデル９回１０回キャッシュのマッピング方式、（仮想記憶）１１回マッピング方式の比較（仮想記憶） ar_09 メモリ（記憶装置）とは？今回のテーマ：いろいろなメモリ素子基本は引出し 903 今までいろいろな技術が使われてきた機械・（超）音波・磁気いろいろ・電気いろいろ将来は？性質の違いと用途を理解するイチローの ⇒ 1973年誕生日 10月22日 ar_09 メモリを実現するためのさまざまな技術を見る場所（アドレス）を指定して内容を読む・書く（脱線）内容を指定して内容を読むモデルもある（連想型メモリ） 902 速度・価格・集積度（発熱も含む）読書き vs 読出のみ vs 1回書ける vs 追記可等不揮発 vs 揮発 ar_09 904 （素子の）種類によって性質が違うメモリデバイス（ことば・概念）これから技術の詳細を見る予定だが、違いのイメージ：アクセス時間早い Å-------Æ 遅い容量・価格高価・小容量 Å-Æ 大容量・廉価性質の違い読み・書き可 Å--Æ 読出しのみ１回だけ書込み可・追記可電源断で消える Å--Æ 消えない持ち運び可 Å-----Æ 不可など ar_09 (a) 速度と記憶容量（＋価格） (b) 揮発性～電源を切っても残るか消えるか (c) ランダムアクセス性～アドレスを指定できるか一般論として（記憶の階層）速いと高いので少量～半導体メモリ遅いと安いので大量～ハードディスク・CD/DVD 905 ar_09 906 RAMとROM 半導体（電気的な回路）による記憶素子例：半導体メモリ、ハードディスク、CD/DVD 用途を考える時に必要な性質は半導体メモリメモリデバイス～記憶素子～教科書では「ICメモリ」（教p67、7.2節） RAM (random access memory) vs ROM (read-only memory) いろいろな種類がある（教p67、図7.4）バイポーラ型スタティック RAM MOS型 RAM ダイナミック RAM MOS型マスク ROM P ROM ROM RAMは（ランダムアクセス=どこでもアクセス）というよりは、「読む＋書く」と解釈ｖｓ ROMは読むだけ（書き込めない）書き込めない＝書き換えられない、でもある EP ROM プログラマブル ROM ar_09 EEP ROM 907 ar_09 908 RAMの種類 SRAMとDRAM 半導体RAMは、例えば SRAMは要するに「フリップフロップ」主記憶・キャッシュメモリ・レジスタなど今のRAMは半導体が殆ど昔は磁気コアを使った時代があるそれ以前は、随分苦労した DRAMは要するに「コンデンサ」＝電荷蓄積器半導体のRAMは、電源を切ると消えてしまう ar_09 回路構成が違う ⇒ 性質も違う 909 （脱線）DRAMの高速化 SRAMは高速・少量 ⇒ レジスタやキャッシュに使う DRAMはやや低速・大量 ⇒ar_09 主記憶に使う 910 （脱線）メモリモジュール（主記憶に使う）DRAMを高速化したいいろいろな工夫がされている（同時読出し、連続転送など）ページモード読出しコンデンサに電荷があるかないか時間がたつと放電する⇒リフレッシュ必要ビット当りトランジスタ数少ない⇒同面積にたくさん置ける（半導体微小化により）チップ当り容量がどんどん増えた要するに SRAMとDRAM フリップフロップの詳細は別途調べてください高速だが、ビット当りトランジスタ数が多い⇒大規模には置けない ICチップ（パッケージ）⇒モジュール容量拡大＋同時アクセス（データ幅の拡大）ＩＣパッケージ毎回「行」アドレスを出すのをサボる～連続転送外部クロックに同期して転送するSDRAM 特に１サイクルで２回読出すDDR SDRAM １つのパッケージの中に ICチップが１つ載っているメモリモジュール次々に新しい仕組が作られている DDR-2とかDDR-3とか ar_09 911 ar_09 912 ROM 読出しのみ～どこに使う？その他の用途は、 ar_09 ar_09 RAMと何が違う？ PROM ＝１回だけ書込み可能なもの（Programmable ROM）用途例前出のBIOS ROMや、組込み機器の命令ユーザプログラマブルROM ＝ユーザが情報を書込み可能なROM １回書いたら、あとは消せない・書変えられない消せる＝書き変えられる（いろいろある） ar_09 915 書込みは特殊な条件が必要（消去とか電圧）かつ、一般に書込みは（非常に）遅い不揮発性（ROMの性質を持つ） E-PROM E-PROM ＝消去可能なもの Erasable P-ROM 914 E-PROM （消去可能なPROM）マスクROM ＝半導体製造時のマスクパターンで情報を書込むユーザは書換え不可配布用（あまり見かけない。USBメモリで配布など）保存・PC間交換用（書換え可能が必須） 913 ROMの種類実はもう１つ「不揮発性」（電源OFFしても消えない） ↓ 電源ON直後（主記憶/キャッシュRAMは空っぽ）どうやって起動するか（プログラムを入れるか？）小さなROMに最小限プログラム（BIOS）を置く BIOSでHDDからOSを読出し主記憶にロードするパッケージの窓から紫外線を当てると消去消去すると、書き込めるまだ時々見かける EE-PROM 紫外線で消去可能なROM 電気的に消去可能なROM Electrically Erasable Programmable ROM ar_09 916 （脱線）USBメモリ（フラッシュメモリ） USB：繋ぎ方の規格（universal serial bus） USBメモリ： USBの先に大量記憶を繋ぐ仕様（USB Mass Storage Class）に従うメモリ中身のメモリ：「フラッシュメモリ」 ar_09 磁気ディスク（教4.4）ページ単位で書込み・読出し、ブロック単位で消去書換・消去を繰返すとセルが劣化し書込めなくなる 917 フローティングゲートからドレインにトンネル効果を利用して電子を引き抜くことにより、電気的な操作のみで消去を行うようにしたPROM （ウィキペディア EPROM）（NAND型）フラッシュメモリの特徴 PROMはユーザが消去可能なROM USBメモリだけでなく、SDカードなどもフラッシュ EEPROM: 書換え可能な、不揮発性の、半導体メモリ不揮発性＝電源を切っても消えない EEPROM （Electrically Erasable Programmable ROM）の一種（脱線）USBメモリ同じブロックへ書込・消去が集中しない工夫がしてある書込誤りが多いので、誤り訂正符号を入れている ar_09 918 磁気ディスクの構造ハードディスクＨＤＤとも呼ぶ（ハードディスクドライブ）ドライブ＝駆動装置（左の箱全体） http://kyoiku-gakka.u-sacred-heart.ac.jp/jyouhou-kiki/sozai/1502/1502-A.jpg ar_09 919 ar_09 920 磁気ディスクの構造（教図4.12）磁気ディスクの動作の仕組回転軸アームが移動トラック磁気ヘッド円盤（プラッタ）別の絵： http://www.infonet.co.jp/ueyama/ip/ hardware/hard_disk.html ar_09 921 磁気ディスク（教4.4）トラック（円周）セクタ（読書きのブロック）プラッタ（円盤）最初のディスク IBM 305 Ramac (1956) 容量5MB ar_09 922 アクセス時間（教p64、4.7.3）覚えておくこと ar_09 同じ位置のトラックを縦に重ねたイメージをシリンダ（筒）という 923 シーク時間（ヘッドを動かし目的のトラックへ）＋回転待ち時間（目的セクタがヘッドの下へ来るまで）＋転送時間（セクタを読む時間）シーク：どれだけヘッドを動かすか：加速・低速・減速回転待ち：平均1/2周時間、（1/回転数）/2 転送時間：（1周時間）/トラック当りセクタ数 ar_09 924 別のＨＤＤの例（かなり古い）アクセス時間計算例例：シーゲート Barracuda 7200.9 SATA 160-GB Hard Drive http://www.seagate.com/ww/v/index.jsp?vgnextoid=e2ee99f4fa74c010 VgnVCM100000dd04090aRCRD&locale=en-US シーク <8.0 msec <9.0 msec 回転待ち：平均1/2周時間、（1/回転数）/2 Random read seek time Random write seek time 7,200rpm （毎分7200回転） ⇒ (1/120)/2 = 4.16 msec 転送時間：書いていないが他に比較して小さい合計： 9.0msec + 4.16msec = 12msec ar_09 925 ar_09 予測に基づいたアクセス高速化ディスクアクセススケジューリング（OS）ディスク利用待ちを並べ替えて、効率向上ポイントは、シーク（ヘッド移動）時間が長いので、いかにそれを軽減するか？なるべく、移動距離を小さく一方向に８５６３１６よりは５３プリフェッチ８ 926 予め予測して読み込んでおく応答時間短縮連続したセクタ（大きなブロック） ⇒ 必ずヒット＋連続したセクタの読込みは早い（シーク無し）記憶の階層技術（キャッシング cache, caching）の方が早いはず１）将来のことが分からない１ ⇒完全に最適にはできない２）公平で無い（飢餓状態） ar_09 927 ar_09 928 昔々はここから脱線（昔話）計算機構 1642 パスカルの歯車式計算機桁毎に歯車＋繰上り 1821 バベッジの「解析機関」織物機械にヒントを得たプログラムカードプログラム式計算機 1889 ホレリスの統計機械パンチカード入力で国勢調査電気機械式統計機（計数機）ハーバード大 Mark I 電気機械式計算機ログラムプ計算機構演算・記憶は軸の回転命令はテープムペンシルバニア大 ENIAC 電子式計算機ログラ 1946 プ計算機構演算・記憶は電子回路（真空管）命令は配線 1949 ケンブリッジ大 EDSAC ノイマン型電子計算機モリメ計算機構演算・制御は電子（真空管）記憶は水銀管 1951 ペンシルバニア大 EDVAC ノイマン型電子計算機演算・制御は電子（真空管）記憶は水銀管 930 ar_09 1944 （昔話）水銀遅延管（昔話）ウィリアムス管（CRT記憶装置） http://ed-thelen.org/comp-hist/ 振動板偏受信板極向電電子銃増幅器偏向 ar_09 931 電極 http://en.wikipedia.org/wiki/File:Williams-tube.jpg 電子線が当ると荷電が溜まることによって記憶する ar_09 932 （昔話）磁気コアフリップフロップ http://www.st.rim.or.jp/~nkomatsu/premicro/coremem.html 安価・安定で小型なので、一時期主記憶として広く使われた。1970年代には半導体メモリに置き換えられた ar_09 Set Reset Flip Flop （非同期式）論理素子を使えば作れる 933 日本発の論理素子フェライトコアのパラメタ励振現象を利用真空管より安定で安価当時（初期）のトランジスタより安定で安価磁性体面上で磁気ヘッドを移動して記憶 935 テープ ⇒ ドラム ⇒ ディスク（高速化）固定vs可搬（取り外し可）二次記憶の磁気ディスクが残っている動作速度は遅い ar_09 934 磁気記憶（ディスク、ドラム、テープなど）真空管でも、トランジスタでも、リレーでも、パラメトロンでも ar_09 （昔話）パラメトロン（1954） J-K Flip Flop （同期式）大容量化（2～3TB）、高速化（1ミリ秒近い）半導体（SSD）への置換えの兆し ar_09 936 光ディスク系光ディスク、光磁気ディスクなど安価・可搬・高密度化 CD, DVD など一般に低速可搬性（媒体を外して保存or配布用）にメリットビデオをフラッシュメモリに入れて頒布するなど 937 まとめメモリデバイスを５つ挙げ、下記の項目を比較せよ高速で、安定で、安価で、大量なものが難しい半導体技術の進歩によって主記憶は、ICメモリに置き換えられた低速の二次記憶として、ハードディスク等の磁気記憶が残っている配布や保存の目的で、光ディスクが残っている頒布という面ではオンラインと対抗する ar_09 初期は、メモリデバイス実現には苦労した半導体（フラッシュメモリ、USBなど）に置き換える動き歴史的には標準的なアクセス速度標準的な容量 ReadOnly（読出しのみ）かReadWrite（読書き可）かランダムアクセス性ハードディスクのトラック・セクタとは何かディスクアクセス時間のうちわけの要素を３つ挙げよ ar_09 939 ar_09 938