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(1)情報システム論� 第4週! ハードウェアシステム ! （主記憶装置）! 根来�均�.

(2) 内容� 単位の復習! n 記憶装置の階層構造! n 各階層での各役割! n 半導体メモリの分類とトランジスタの構造! n SRAM と DRAM の構造と種類! n メモリに関する技術他� n .

(3) 単位の接頭語� 1018. エクサ�. exa-. E. 15. ペタ�. peta-. P. 12. 9. テラ� ギガ�. tera-. giga-. T. G. 6. 3. メガ� キロ�. mega-. kilo-. M. K. -3. -6. ミリ� マイクロ�. milli-. micro-. m. μ. -9. -12. ナノ� ピコ�. nano-. pico-. n. p. -15. フェムト�. femto-. f. 10-18. アト�. atto-. a.

(4) Memory (主記憶装置他)! n . 記憶装置の階層構造（記憶階層）� 演算ユニット�. 高速�. PentiumM etc. CPU 内部� Resister. L1 Cache. L2 Cache. L3 Cache. Main Memory. HD, CD, DVD …. 大容量�.

(5) Computer Architecture (再掲)! CPU Core/Chip. L1 Cache. CPU. L2 Cache. System Bus, FSB (超高速バス). Main . Memory. HD, CD/DVD. Drive. USB. FireWire. Ethernet. Chip Set. (North Bridge). Video Chip. PCI Bus, Direct Media Interface, . HyperTransport, Hub Interface. （高速バス）�. PCI. PCI slot. Bus. ISA Bus (低速バス). Chip Set. (South Bridge). Mouse, Keyboard, Floppy. SCSI. board. HD.

(6) Computer Architecture (古い)! CPU Core/Chip 1-3.6 (-2.5) GHz. L1 Cache. CPU. L2 Cache. 133-800 MHz (-1.25 GHz). System 0.5-6.4(10) GB/s. Bus, FSB Pentium4. (超高速バス). LGA775 +Intel 925X chipset. Chip Set. Main 100-266(200) MHz. Video Chip. PowerMac G5. (North Bridge). Memory 0.8-8.4(6.4) GB/s. ~ 1/10 CPU. HD, CD/DVD. Drive. PCI Bus, Direct Media Interface, . 33-133 MHz. HyperTransport, Hub Interface. 66 MB/s -2(2.1) （高速バス） GB/s. � 33-66 MHz PCI. Chip Set. SCSI. 133-533 MB/s. slot. (South Bridge). PCI. (HD 100 MB/s). USB. Bus. 1 M ~ 1 G bps. FireWire. ~ 1/50 Mem. ISA Bus (低速バス). Ethernet. Mouse, Keyboard, Floppy. board. HD.

(7) 各役割�. n . レジスタ (Register)! n CPU が処理を行う上で、一時的にデータを格納する場所 ! アキュムレータ（演算結果を格納）! n スタックレジスタ（関数呼び出し等で再帰すべき位置や、すぐに使用される値等を記憶しておく多段型の記憶領域）! n プログラムカウンタ（実行しているプログラム中の現在位置を記憶）! n 汎用レジスタなど! n . Resister. L1 Cache. L2 Cache. L3 Cache. Main Memory. n . 32 bit CPU マシンでは、 n メモリも1ファイルの. サイズも232 byte = 4 GB. が扱える「物理的」最大. サイズ。実際に扱えるサ. イズは OS に依存。. → 64 bit CPU: 扱えるメモリ. の大きさが飛躍的に増大�. CPU 内部にあり、動作が極めて高速。! 記憶できる量をレジスタ長と言い、N bit のレジスタ長を持つ CPU を（一般に） N bit CPU と言う。! n . 2000年後半に、CPU 自体は 32 bit CPU から 64 bit CPU へ移行 (OS の 64 bit 化は遅れる)�.

(8) 各役割�. Resister. L1 Cache. L2 Cache. L3 Cache. Main Memory. n . キャッシュメモリ (Cache)! n （最近 CPU が読み込んだ「付近の」）データや使用頻度の高いデータを(CPU とメインメモリの間に) 一時的に格納、メモリアクセスを効率化。! n CPU に近い方から、1次 (Level 1, Primary)、2次 (Level 2, 2nd)、3次 (Level 3, 3rd) キャッシュと呼ばれる。�. メインメモリ（主記憶装置）. プログラムを起動することにより、その実行コードや必要なデータが格納される場所。�.

(9) Write Back/Through" ライトバック／ライトスルー方式�. Write Back�. Write Through�. CPU (core)�. CPU (core)�. Cache� Cache へ書き込み. Mem へはまとめて� Main Memory�. CPU�(core)�. Cache� Mem へも毎回. 書き込む� Main Memory�. 不一致の危険性! →�処理複雑�. 読み出し時のみ高速�.

(10) ヒット率と実効アクセス時間� n . ヒット率! n キャッシュにデータがあり、取り出せる確率! n キャッシュにデータがあるとき、「ヒットする」という!. n . 実効アクセス時間 Teff! n Teff. = Tcache x P + Tmem x (1-P)! ! = Tcache x P + Tmem x NFP! !Tcache: キャッシュへのアクセス時間! ��Tmem : メモリ（主記憶装置）へのアクセス時間! ��P : ヒット率, NFP (=1-P) : Not Found Probability! !.

(11) 半導体メモリ" の分類�. Bipolar 型（昔）�. SRAM. (Static-). (標準) DRAM. RAM. (Random Access. Memory). MOS, CMOS 型�. RDRAM (Rambus -). DRAM. (Dynamic-) SDRAM (Synchronous -). DDR SDRAM. (Double Data Rate -). Read Only. ROM. (Read Only . Rewritable. Memory). 書換え回数に. 制限あり�. MASKROM. PROM. OTPROM. EPROM（紫外線消去型）� EEPROM（電気的消去型）�.

(12) 半導体メモリ" の分類�. Bipolar 型（昔）�. SRAM. (Static-). (標準) DRAM. RAM. (Random Access. Memory). キャッシュ� MOS, CMOS 型� RDRAM (Rambus -). DRAM. メインメモリ� (Dynamic-) SDRAM (Synchronous -) DDR SDRAM. (Double Data Rate -). MASKROM. Read Only. PROM. OTPROM. ROM. (Read Only . Rewritable. Memory). 書換え回数に. 制限あり�. EPROM（紫外線消去型）� EEPROM （電気的消去型）� フラッシュメモリ. (EEPROM の一種).

(13) DRAM と SRAM の基礎の基礎技術" ー半導体ー� n n . 導体と絶縁体の中間の電気抵抗値を持つが、実際にはほとんど電気は流れない。! 純粋なシリコン Si に、微量の3価のガリウム(Ga) や5価のリン (P) を加える事によって、電気抵抗が 1/100-1/1000 となり、導体として利用できるようになる。�. Si. Si. ホール�. Ga. Si. Si. Si. Si. P. Si. 自由電子� Si. このような、電気伝導にあずかるホールや自由電子を「キャリヤ」という。�.

(14) 半導体の重要な性質� n . 整流作用! n n . n . P -> N 方向（順方向）のみ電流が流れる。! 「ダイオード」!. 増幅作用! 整流作用を利用し、N-P-N, P-N-P と繋げることにより、電流増幅が行われる。! n 「トランジスタ」→スイッチとして利用可� n .

(15) DRAM と SRAM の基礎技術" ートランジスタ (Transistor)ー� n . バイポーラトランジスタ (Bipolar Transistor)! Collector. Collector. e-. +. Base. -. n型半導体�. hole p型� e-. n型�. Emitter. (npn型). +. Base. -. Emitter. Base 電流を流すことにより、「スイッチ」が入る. （大量の C-E 電流が流れる。<- 増幅作用）�.

(16) DRAM と SRAM の基礎技術" ートランジスタ (Transistor)ー� n . バイポーラトランジスタ (Bipolar Transistor)! Collector. Collector. e-. +. Base. -. n型半導体�. hole p型� e-. n型�. Emitter. (npn型). +. Base. -. Emitter. Base 電流を流すことにより、「スイッチ」が入る. （大量の C-E 電流が流れる。<- 増幅作用）�. 詳しくは、物理学実験にて�.

(17) DRAM と SRAM の基礎技術" ートランジスタ (Transistor)ー� n . MOS 電界効果(FET)トランジスタ (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor) - 現在のIC/LSI の基本素子!. �. Drain. Drain. n. P. Gate. Gate. n. Source. nチャンネル型�. Source. Gate 電圧をかけることにより、スイッチが入る. （大量の D-S 電流が流れる。）�. CMOS: n型, p型チャンネルを両方搭載したもの�.

(18) DRAM と SRAM の基礎技術" ートランジスタ (Transistor)ー� n . MOS 電界効果(FET)トランジスタ (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor) - 現在のIC/LSI の基本素子!. �. Drain. Drain. n. P. Gate. Gate. n. Source. nチャンネル型�. Source. Gate 電圧をかけることにより、スイッチが入る. （大量の D-S 電流が流れる。）�. CMOS: n型, p型チャンネルを両方搭載したもの�.

(19) DRAM と SRAMのセル� n . DRAM! n . Transistor + Condenser!. ワード線 (スイッチ). ビット線 (信号). 単純�. SRAM. Flip-Flop. S. R ビット線�. 電荷の有無. <=> 1 bit. 複雑�. D/SRAM: これらの素子が 1000以上. 集まった LSI (Large Scale Integration). ワード線� 電源� ワード線�. ・� ・� ビット線�. ex. 4トランジスタ型�.

(20) SRAM vs DRAM! n . SRAM (Static Random Access Memory) ! n . n . 0/1 の記憶をフリップフロップ (flip-flop) 型回路で構成（最近は MOS トランジスタを使用）!. n . 電源の印加中、記憶情報が保持. n . アクセスが高速（→ キャッシュで利用）. DRAM (Dynamic Random Access Memory)! n . コンデンサ（キャパシタ）とトランジスタを用いて、コンデンサの電荷の有無で 0/1 の記憶! n . n . 単純な構造ゆえ、SRAM に比べ高集積化、低価格化が可能!. リーク電流により、記憶情報を保持するために、定期的にリフレッシュ動作が必要�.

(21) http://www.kayoo.org/home/mext/joho-kiki/.

(22) DRAM の種類� n . SDRAM (Synchronous DRAM)! n . n . 外部バスクロックと同期して動作し、連続したデータに高速にアクセス可能!. DDR SDRAM (Double Data Rate SDRAM)! n . n . クロックの立ち上がりと立ち下がりを利用して、（立ち上がりのみを利用する）SDRAM の転送レートを2倍にした規格! 現在のメモリの主流�.

(23) DDR SDRAM の種類� メモリチップ規格�. メモりモジュール名�. データ転送レート�. DDR 266-400!. PC 2100-3200!. 2.1-3.2 GB/s!. DDR2 400!. PC2 - 3200!. DDR2 533-800!. PC2 - 4200-6400!. DDR2 1000-1200! PC2 - 8000-9600! DDR3 1066!. PC3 - 8500!. 3.2 GB/s! 4.2-6.4 GB/s ! 8.0-9.6 GB/s! 8.5 GB/s!. DDR3 1333-1600! PC3 - 10600-12800!. 10.6-12.8 GB/s!. DDR3 1800-2000! PC3 - 14400-16000!. 14.4-16.0 GB/s!.

(24) さらにアクセスの仕方の仕様を. 定めた「レイテンシ (latency)」の違い. があり、さらに複雑。(e.g., CL=3). 購入時注意�. DDR SDRAM の種類�. メモリチップ規格�. メモりモジュール名�. データ転送レート�. DDR 266-400!. PC 2100-3200!. 2.1-3.2 GB/s!. DDR2 400!. PC2 - 3200!. 3.2 GB/s!. DDR2 533-800!. PC2 - 4200-6400!. DDR2 1000-1200! PC2 - 8000-9600! DDR3 1066!. PC3 - 8500!. 4.2-6.4 GB/s ! 8.0-9.6 GB/s! 8.5 GB/s!. DDR3 1333-1600! PC3 - 10600-12800!. 10.6-12.8 GB/s!. DDR3 1800-2000! PC3 - 14400-16000!. 14.4-16.0 GB/s!. 動作を保証するクロック数. (MHz 単位). ノート用の Interface 規格で . ある S.O.DIMM も有り�.

(25) SRAM vs DRAM まとめ� point: 複雑 vs 単純� 構成要素�. 速度�. 集積度�. refresh. 価格�. 用途�. SRAM. Flip-Flop 回路�. 高�. 低�. 不要�. 高�. レジスタ・キャッシュ�. DRAM. コンデンサ+トランジスタ�. 低�. 高�. 必要�. 低�. メインメモリ�.

(26) メモリに関する技術とその他� n . メモリインタリープ（Memory Interleaving）! n n . n . 仮想メモリ (Virtual Memory) (=> 詳細は後日)! n n . n . ハードディスクをメモリの一部として使う技術! 動作低下の原因!. VRAM (Video RAM)! n n . n . 複数のメモリバンクに同時に読み書きする高速化技術（同容量のメモリを2枚単位で搭載する必要有）! 実質アクセス速度を倍にするデュアルチャンネル駆動（インターフェイス）もこの1種!. ディスプレイに表示させる内容を保持するメモリ! 多いほど、大きな画面と多くの発色が可能!. MRAM (Magnetoresistive RAM)! n n . 磁気を持ちた次世代（不揮発）メモリ! 宇宙・軍事等で既に利用�.

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