メモリとキャッシュをイラストでやさしく解説【ITパスポート】

パソコンの「メモリ8GB」と「SSD 512GB」って、どっちもデータをしまう場所ですよね？何が違うんですか？

いい質問！ メモリは「作業机」、SSDは「本棚」なんだ。机が広いほど作業がはかどるし、手元にメモ（キャッシュ）があればもっと速い。順番に見ていこう。

記憶装置には「階層」がある

CPUはとても高速なので、データの置き場所が遅いと待たされてしまいます。かといって、速い記憶装置は高価で、大容量にできません。そこでコンピュータは 速さと容量の違う記憶装置を組み合わせて 使います。これを 記憶階層 といいます。

上ほど速いが小さく高価、下ほど遅いが大きく安価

プログラムを実行するときは、本棚（SSD）から作業机（メインメモリ）にデータを広げて作業します。メインメモリが小さい と、机に載り切らない分を何度も本棚と出し入れすることになり、動作が遅くなります。

メモリは、電源を切ると内容が消えるかどうか で大きく2つに分けられます。

RAM（Random Access Memory）は読み書きできるメモリ、ROM（Read Only Memory）は読出し専用のメモリです。RAMのうち、DRAMとSRAMは次のように使い分けます。

SRAMの S は Static（静的）：一度書けば電源がある限り保持され、リフレッシュ不要で速い → キャッシュ。DRAMの D は Dynamic（動的）：放っておくと内容が薄れるので定期的にリフレッシュが必要 → 安価で大容量なのでメインメモリ。

CPUは、データが必要になると まずキャッシュメモリを探し、なければメインメモリを読みに行きます。キャッシュにはよく使うデータが残っているので、多くの場合は手元のメモだけで済みます。

キャッシュメモリに目的のデータがある確率を ヒット率 といいます。

キャッシュにあれば10ナノ秒、なければメインメモリから60ナノ秒。平均すると15ナノ秒で済む

実効アクセス時間＝ヒット率 × キャッシュのアクセス時間＋（1 − ヒット率）× メインメモリのアクセス時間

キャッシュ 10ナノ秒、メインメモリ 60ナノ秒、ヒット率 90% のとき

0.9 × 10 ＋ 0.1 × 60 ＝ 9 ＋ 6 ＝ 15ナノ秒

キャッシュがなければ毎回60ナノ秒かかるので、4分の1の時間で済むことになります。

ヒット率が上がれば、もっと速くなるってことですね。

そのとおり。ヒット率が100%に近づくほど、実効アクセス時間はキャッシュの速さに近づくよ。キャッシュの容量を増やすと、一般にヒット率は上がるんだ。

キャッシュメモリは何段か重ねることもあり、CPUに近い順に 1次キャッシュ、2次キャッシュ …と呼びます。CPUは1次 → 2次 → メインメモリの順に探します。

計算問題では 「1 − ヒット率」を掛ける相手はメインメモリ です。ヒット率をメインメモリ側に掛けてしまうミスが多いので、「当たったらキャッシュ、外れたらメインメモリ」と声に出して確認しましょう。