メモリ技術とDRAM

メモリ技術とは、主メモリレベルでデータを保存する物理デバイスであり、主に容量のためのダイナミックRAM（DRAM）と速度のためのスタティックRAM（SRAM）があります。これらのタイミング、帯域幅、および構成が、メモリ階層の性能の基盤を決定します。

Definition

メモリ技術とは、コンピュータメモリを実装するために使用される半導体および関連デバイスであり、最も重要なものとしてDRAMがあります。DRAMは各ビットをコンデンサ上の電荷として保存し、定期的にリフレッシュする必要があります。また、SRAMはラッチにビットを保存し、高速ですが密度は低くなります。

Scope

このトピックでは、メモリの背後にあるデバイス技術について扱います。キャッシュで使用されるSRAMセル、DRAMセルとそのリフレッシュの必要性、DRAMのバンク、行、列への編成、タイミングパラメータと標準（DDRファミリーなど）、メモリ帯域幅とチャネル、および新興の不揮発性メモリが含まれます。キャッシュおよびOSレベルのメモリ管理（キャッシュの編成とポリシー、仮想メモリとページング）と永続的な二次記憶装置（secondary storage devices）は除外されます。

Core questions

• SRAMセルとDRAMセルは、速度、密度、コスト、電力においてどのように異なりますか？
• DRAMはなぜリフレッシュが必要なのですか？また、どのようにバンク、行、列に編成されていますか？
• DRAMのアクセスと帯域幅を規定するタイミングパラメータと標準は何ですか？
• 新興の不揮発性メモリはメモリ階層にどのように適合しますか？

Key concepts

• SRAMセル
• DRAMセルとリフレッシュ
• バンク、行、列
• 行のアクティブ化とプリチャージ
• DDRメモリ標準
• メモリ帯域幅とチャネル
• メモリレイテンシ
• 不揮発性メモリ

Mechanisms

SRAMセルは小さなラッチにビットを保持し、高速アクセスを可能にしますが、密度は低いです。DRAMセルは小さなコンデンサに電荷としてビットを保存しますが、電荷が漏洩するため定期的にリフレッシュする必要があります。DRAMチップは行と列のバンクに編成されており、アクセス時には行がセンスアンプバッファにアクティブ化され、そこから列の読み出しまたは書き込みが行われます。ダブルデータレート（DDR）インターフェースと複数のチャネルは帯域幅を向上させ、レイテンシは行のアクティブ化と列アクセスのタイミングによって決定されます。

Clinical relevance

プロセッサがメモリを大幅に上回る速度で動作するため、DRAMの特性（レイテンシ、帯域幅、行アクティベーションのコスト）はシステム性能を直接的に形成し、キャッシュ階層全体の動機付けとなります。DRAMの特性は、Rowhammer妨害効果などの信頼性およびセキュリティ上の懸念も生み出し、新興の不揮発性メモリは、システムがメモリとストレージを組み合わせる方法を再構築しています。

History

ロバート・デナードは1966年から1968年にかけてIBMで1トランジスタDRAMセルを発明し、DRAMは主要な主メモリ技術となりました。同期およびダブルデータレート（DDR）の連続する標準は数十年にわたって帯域幅を向上させ、SRAMはオンチップキャッシュの技術として残りました。その後、不揮発性メモリと積層メモリが登場し、容量と永続メモリのフロンティアに対応しました。

Key figures

• Robert Dennard
• John L. Hennessy
• David A. Patterson
• Bruce Jacob

Seminal works

• hennessy2019
• jacob2008

Frequently asked questions

DRAMはなぜリフレッシュが必要で、SRAMは必要ないのですか？

DRAMは各ビットをコンデンサ上の電荷として保存しますが、この電荷はゆっくりと漏洩するため、内容の損失を防ぐために定期的に読み出して書き直す（リフレッシュする）必要があります。SRAMは各ビットをラッチに保持し、電力が供給されている限りその状態を維持するため、リフレッシュは不要です。

なぜSRAMはキャッシュに、DRAMは主メモリに使用されるのですか？

SRAMははるかに高速ですが、ビットあたりのサイズが大きく高価であるため、小さく速度が重要なキャッシュに最適です。DRAMはビットあたりの密度が高く安価ですが、低速であるため、容量が生のレイテンシよりも重要となる大容量の主メモリに適しています。