RAMとキャッシュメモリの違いは何ですか?

2022/12/27

テクノロジーに精通している方であれば、キャッシュと、キャッシュがシステムの RAM とどのように連携してキャッシュを高速化するかについて聞いたことがあるかもしれません。しかし、キャッシュとは何か、RAM とどう違うのか疑問に思ったことはありませんか?

キャッシュメモリと RAM を区別するすべての要素を見ていきます。

コンピューターのメモリシステムを理解する

RAM とキャッシュの比較を始める前に、コンピューターのメモリシステムがどのように設計されているかを理解することが重要です。

ご覧のとおり、RAM とキャッシュはどちらも揮発性メモリストレージシステムです。これは、これらのストレージシステムが両方ともデータを一時的に保存し、電源が供給されている場合にのみ機能することを意味します。したがって、コンピューターの電源を切ると、RAM とキャッシュに保存されているすべてのデータが削除されます。

このため、どのコンピューティングデバイスにも、プライマリメモリとセカンダリメモリという 2 種類のストレージシステムがあります。ドライブは、ファイルを保存するコンピュータシステムの二次メモリであり、電源がオフのときにデータを保存できます。一方、プライマリメモリシステムは、オンにすると CPU にデータを供給します。

しかし、電源がオフになっているとデータを保存できないメモリシステムがコンピュータに搭載されているのはなぜでしょうか。プライマリストレージシステムがコンピュータにとって不可欠である大きな理由があります。

お使いのシステムのプライマリメモリは、電力が供給されていないときにデータを保存することはできませんが、セカンダリストレージシステムと比較するとはるかに高速です。数値に関しては、SSD などのセカンダリストレージシステムのアクセス時間は 50 マイクロ秒です。

対照的に、ランダムアクセスメモリなどのプライマリメモリシステムは、17 ナノ秒ごとに CPU にデータを供給することができます。したがって、プライマリメモリシステムは、セカンダリストレージシステムと比較して、ほぼ 3,000 倍高速です。

この速度の違いにより、コンピューターシステムにはメモリ階層が付属しており、データを驚くほど高速で CPU に配信できます。

これは、最新のコンピューターのメモリシステムを介してデータが移動する方法です。

ストレージドライブ (セカンダリメモリ):このデバイスはデータを永続的に保存できますが、CPU ほど高速ではありません。このため、CPU はセカンダリストレージシステムから直接データにアクセスできません。
RAM (プライマリメモリ):このストレージシステムは、セカンダリストレージシステムよりも高速ですが、データを永続的に保存することはできません。したがって、システムでファイルを開くと、ファイルはハードドライブから RAM に移動します。とはいえ、RAM でさえ CPU に対して十分な速度ではありません。
キャッシュ (プライマリメモリ):この問題を解決するために、キャッシュメモリと呼ばれる特定のタイプのプライマリメモリが CPU に組み込まれています。これは、コンピュータで最も高速なメモリシステムです。このメモリシステムは、L1、L2、L3 キャッシュの 3 つの部分に分かれています。したがって、CPU で処理する必要があるデータは、ハードドライブから RAM に移動し、次にキャッシュメモリに移動します。とはいえ、CPU はキャッシュから直接データにアクセスすることはできません。
CPU レジスタ (プライマリメモリ):コンピューティングデバイスの CPU レジスタはサイズが小さく、プロセッサアーキテクチャに基づいています。これらのレジスタは、32 ビットまたは 64 ビットのデータを保持できます。データがこれらのレジスタに移動すると、CPU はそれにアクセスして手元のタスクを実行できます。

RAM とその仕組みについて

前に説明したように、デバイス上のランダムアクセスメモリは、コンピューター上のプログラム用にデータを格納し、CPU に供給する役割を果たします。このデータを格納するために、ランダムアクセスメモリはダイナミックメモリセル (DRAM) を使用します。

このセルは、コンデンサとトランジスタを使用して作成されます。この構成のコンデンサは、電荷を蓄えるために使用され、コンデンサの充電状態に基づいています。メモリセルは 1 または 0 のいずれかを保持できます。

コンデンサが完全に充電されると、1 が格納されると言われます。一方、放電されると、0 が格納されると言われます。DRAM セルは電荷を格納できますが、このメモリ設計には欠点があります。

ご覧のとおり、RAM はコンデンサを使用して電荷を保存するため、保存した電荷を失う傾向があります。これにより、RAM に保存されたデータが失われる可能性があります。この問題を解決するために、コンデンサに保存された電荷はセンスアンプを使用してリフレッシュされ、RAM が保存された情報を失うのを防ぎます。

DRAMセルの回路図 — 画像クレジット: Tosaka/Wikimedia commons

この電荷のリフレッシュにより、コンピューターの電源が入っているときに RAM にデータを保存できますが、リフレッシュ中に RAM が CPU にデータを送信できないため、システムに遅延が発生し、システムの速度が低下します。

これに加えて、RAM はマザーボードに接続され、マザーボードはソケットを使用して CPU に接続されます。したがって、RAM と CPU の間にかなりの距離があり、データが CPU に配信される時間が長くなります。

上記の理由により、RAM は 17 ナノ秒ごとにのみ CPU にデータを供給します。その速度では、CPU はそのピークパフォーマンスに到達できません。これは、4 ギガヘルツのターボブースト周波数で実行しているときに最高のパフォーマンスを実現するために、CPU に 1/4 ナノ秒ごとにデータを供給する必要があるためです。

この問題を解決するために、キャッシュメモリがあります。これは、RAM よりもはるかに高速な別の一時ストレージシステムです。

キャッシュメモリの説明

RAM に伴う注意事項がわかったので、キャッシュメモリと、それが RAM に伴う問題をどのように解決するかを見ていきます。

何よりもまず、マザーボードにキャッシュメモリがありません。代わりに、CPU 自体に配置されます。これにより、データは CPU の近くに保存され、データへのアクセスが高速になります。

これに加えて、キャッシュメモリは、システムで実行されているすべてのプログラムのデータを保存するわけではありません。代わりに、CPU によって頻繁に要求されるデータのみを保持します。これらの違いにより、キャッシュは驚くほど高速で CPU にデータを送信できます。

さらに、RAM と比較して、キャッシュメモリはスタティックセル (SRAM) を使用してデータを格納します。ダイナミックセルと比較して、スタティックメモリは電荷を保存するためにコンデンサを使用しないため、リフレッシュする必要はありません。

代わりに、6 個のトランジスタのセットを使用して情報を保存します。トランジスタを使用しているため、スタティックセルは時間の経過とともに電荷を失うことがないため、キャッシュは CPU にはるかに高速でデータを供給することができます。

SRAMセルの回路図 — 画像クレジット: Abelsson/Wikimedia Commons

とはいえ、キャッシュメモリにも欠点があります。1 つには、RAM に比べてはるかにコストがかかります。さらに、スタティック RAM セルは、1 ビットの情報を格納するために 6 個のトランジスタのセットが使用されるため、DRAM と比較するとはるかに大きくなります。これは、DRAM セルの単一コンデンサ設計よりも大幅に大きくなります。

このため、SRAM のメモリ密度ははるかに低く、CPU ダイに大きなストレージサイズを持つ単一の SRAM を配置することはできません。そこで、この問題を解決するために、キャッシュメモリをL1キャッシュ、L2キャッシュ、L3キャッシュの3つに分け、CPUの内部と外部に配置します。