記憶装置の階層と高速化技術

「上に行くほど速い・小さい・高い／下に行くほど遅い・大きい・安い」——この3つの向きがそろっていることが、この図の要です。試験では矢印の向きを逆にした図が示されることがあるので、速度と容量が逆向きという点を必ず確認してください。

③ それぞれの階層の役割

1　レジスタ

レジスタはCPU内部で一時的にデータの保存を行うための記憶装置です。記憶装置の中では最上層にあたり、最も高速で、最も小容量です。いま計算しようとしている数値そのものを置いておく場所で、容量は数十バイト程度しかありません。

2　主記憶装置

主記憶装置はCPUが直接アクセスすることができ、CPUが処理を行う際に一時的にプログラムやデータを保存する記憶装置です。補助記憶装置に保存されているプログラムやデータは主記憶装置上に展開され、CPUはこれらのデータに対して処理を行います。

コンピュータの性能を高めるためには、主記憶装置の容量を大きくすること、主記憶装置に高速な媒体を用いることが必要であり、高速な読み書きが可能な半導体メモリを用いることが多くなっています。

3　補助記憶装置

補助記憶装置は、CPUが直接アクセスすることができず、プログラムやデータを長期的に保存するための記憶装置です。大容量であることが求められるため、安価なハードディスクを用いることが主流でしたが、近年では半導体メモリの一種であるフラッシュメモリを用いたSSD（Solid State Drive）が多く流通しています。

④ 階層のすき間を埋める2つのキャッシュ

階層の中で、2と4は名前に「キャッシュ」が付いています。この2つは、隣り合う階層の速度差を埋める緩衝材として置かれています。

• キャッシュメモリ……CPUと主記憶装置の速度差を埋める。SRAMを使用
• ディスクキャッシュ……主記憶装置と補助記憶装置の速度差を埋める。DRAMを使用

どちらも「上の階層が下の階層を待たされないようにする」という同じ発想から生まれています。置かれる場所と使う素子が違うだけです。

なぜ全部を机の上に置かないのか

机の広さには限りがあるからです。同じように、CPUのすぐそばに置ける高速なメモリは、物理的にも費用的にも限られます。「では全部を書庫に置けばいいか」というと、今度は1行読むたびに取り寄せを申請することになり、調べものが一向に進みません。

階層が効く理由

現実の調べものでは、いま開いている本を何度も読み返すのがふつうです。だから机の上に置いておけば、ほとんどの参照は机の上で済みます。コンピュータでも同じで、CPUが主記憶にアクセスする場合、特定のアドレスに繰り返しアクセスすることが大変多いという性質があります。この性質があるからこそ、小さな上位層が大きな下位層の代わりを務められるのです。

確認してみましょう

> 次の記述の正誤を判定せよ。

> a　記憶装置の階層では、上位の層ほど高速で大容量である。

> b　レジスタはCPU内部にあり、記憶装置の中で最も高速かつ最も小容量である。

> c　キャッシュメモリにはSRAM、主記憶装置にはDRAMが用いられることが多い。

解答　a：×　b：○　c：○

• a：×……上位ほど高速ですが、容量は小さくなります。速度と容量は逆向きです。この1文字を入れ替えるだけで誤りの選択肢が作れるので、図を見るときは必ず両方の矢印を確認してください。

SSDが速い理由も、消費電力が少ない理由も、耐衝撃性が高い理由も、すべて回転する円盤と磁気ヘッドという機械部品を持たないという1点から説明できます。読み出したい場所へヘッドを移動させる待ち時間がないので速く、モータを回さないので電気を食わず、落としても壊れる部品がないので衝撃に強い、というわけです。

② ストレージのつなぎ方——DAS・NAS・SAN

記憶装置を「どこに置き、どうつなぐか」という観点で分類すると、次の3つになります。

DAS（Direct Attached Storage）

ネットワークを経由せずサーバに直接接続されるストレージです。もっとも素朴な形で、サーバの中に入っている内蔵ディスクや、サーバの背面にケーブルで直結した外付けディスクがこれにあたります。構成が単純で速い反面、そのサーバからしか使えません。

NAS（Network Attached Storage）

既存のネットワーク（LAN）に直接接続し、コンピュータなどからネットワークを通じてアクセスできるストレージです。ハードディスクとネットワークインタフェース、OSなどを一体化した単機能サーバであり、記憶装置をネットワークに直接接続したように見えることからこのようによばれます。

ファイル共有の用途に向いており、複数のパソコンから同じフォルダを見にいく、という使い方ができます。

SAN（Storage Area Network）

ファイバチャネルやTCP/IPなどの伝送方式を利用して構築されたストレージ専用のネットワークです。SANを導入することにより、複数のサーバで記憶装置を共有し、それぞれのサーバに必要な容量を割り当てるような仕組みを構築できます。

SANの形態にはいくつかの種類がありますが、現在は複数のサーバと記憶装置をSANスイッチとよばれる機器につなぐ構成が一般的です。

③ 3つを見分ける決め手

決め手は「既存のLANに相乗りするのがNAS、ストレージ専用のネットワークを別に敷くのがSAN」という点です。NASとSANは名前の文字が同じで並び替えただけなので、定義文を丸暗記すると本番で入れ替わります。「Aがどこに付くか」ではなく「専用の線を引くかどうか」で判別してください。

たとえば256バイトの情報は、$256 \times 8 = 2{,}048$ ビットの情報と同じです。

また、ビットをまとめて扱う単位として次のものがあります。

アクセス時間の問題ではナノ秒（$10^{-9}$秒）、転送速度の問題ではMbps（メガビット毎秒）がよく登場します。ビット（b）とバイト（B）の取り違えは8倍の誤差になるので、単位の大文字・小文字にも注意してください。

このように、実記憶と仮想記憶の内容を交換することで、実記憶の容量を超えるプログラムやデータを扱うことができるようになります。アプリケーションからは、あたかもメモリがたくさんあるように見えます。

③ スラッシング

仮想記憶装置を採用しているパソコンでは、主記憶の容量が少ないと、スワッピングが多発し、処理速度が低下することがあります。これをスラッシングといいます。

スラッシングが起きる筋道は次のとおりです。

1. 主記憶のページ領域が不足する、あるいは多数のプログラムを同時に実行する

2. スワッピングが多発する

3. 処理能力が極端に低下する（スラッシング）

補助記憶装置への読み書きは主記憶より桁違いに遅いため、本来の計算よりも出し入れの時間のほうが長くなってしまう、という状態です。机が狭すぎて、本を出しては戻すだけで一日が終わってしまう、という状況を想像するとよいでしょう。

④ 対策

このようなときは、次の手立てで処理速度の向上が期待できます。

• 主記憶の容量を増やす……机そのものを広くする
• 同時実行するプログラムの本数を制限する……同時に広げる本を減らす

どちらも「実記憶に収まりきらない量を減らす」という同じ狙いです。CPUを速いものに交換しても、スラッシングは解消しません。原因が主記憶の不足にあるからです。ボトルネックのある場所に手を入れなければ効果は出ないという、システムの性能改善の原則がここにも現れています。

やっていること（散らばった空き領域をまとめる）はよく似ているので、どちらを対象にしているかだけを覚えれば区別できます。

② デュアルチャネル

同一規格のメモリを2枚メモリソケットに挿すことによりデータ処理を高速化する技術です。これらメモリは、2枚を1組とします。マザーボード上にはメモリソケットが複数存在し、セットとなるメモリを正しく組み合わせて挿すことでデュアルチャネルが機能します。

同じ容量を1枚で用意するのではなく、あえて半分ずつ2枚に分けて差す、というのがポイントです。2本の道を同時に使って運べるので、転送の帯域が広がります。

③ メモリインタリーブ

メモリアクセスを速くする工夫です。バンクという、それぞれ単独で動ける読み書きの口をいくつも用意し、同時に読みに行けるようにします。そのうえでアドレスを、バンクをまたぐ形で順ぐりに振っていきます。こうすると連続したアドレスが別々のバンクに散るので、同じバンクに順番待ちが生じるのを避けられます。

ここは図で考えるとわかりやすい論点です。アドレス1〜12を4つのバンクに割り当てるとき、

• バンクごとに区切って割り当てる場合……バンク1に1・2・3、バンク2に4・5・6……。連続したアドレス1〜4を読むと、バンク1に3回集中してしまい、待ちが生じます。
• バンクにまたがって割り当てる場合（メモリインタリーブ）……バンク1に1・5・9、バンク2に2・6・10、バンク3に3・7・11、バンク4に4・8・12。連続したアドレス1〜4を読むと、4つのバンクに1つずつ分散し、同時にアクセスできます。

プログラムは連続したアドレスを順に読むことが多いので、わざとバラして置くことで競合を避けるという発想です。

④ ECC（Error Correcting Code：誤り訂正符号）

メモリ上のデジタル情報は、ノイズなどに干渉されて内容が変化することがあります。信頼性を向上させるため、変化したビットを正しく訂正できる機能をもつメモリが存在します。このような変化（＝誤り）を自動的に検知し、訂正する技法をECC（誤り訂正符号）といいます。

元のデータに誤り訂正用の情報を付加し、算術結果からビットの誤りを検出して訂正するハミング符号という手法が採用されています。

誤りを検出するだけの手法（パリティチェックなど）と異なり、ECCは訂正までできる点が特徴です。サーバや基幹システムのように、1ビットの化けが致命傷になりうる用途で使われます。

⑤ シンプロビジョニングとシックプロビジョニング

シンプロビジョニングは、ストレージを仮想化して割り当てておき、実データの増加に応じて物理的なストレージを増設する管理技術です。必要に応じてメモリ容量を増設できるため、効率的なリソース利用が可能です。

一方、ストレージを仮想化して割り当てる際に、必要なストレージ容量を前もって物理的な記憶領域に実際に確保する方式をシックプロビジョニングとよびます。

シンプロビジョニングとシックプロビジョニングは、主にエンタープライズレベルのストレージソリューションで用いられる技術です。SSDやネットワークストレージ（NASやSAN）などの記憶媒体で使用されることが多くなっています。

「1TBを割り当てる」と宣言しても、実際に使っているのが100GBなら物理的には100GBぶんしか消費しないのがシン、宣言した瞬間に1TBを押さえてしまうのがシックです。thin（薄い）＝必要なぶんだけ、と英語の意味から引けば取り違えません。