メモリの仕組みを徹底解説！キャッシュ、主記憶、補助記憶の違いは？ 〜 ITパスポート R6年 問56 〜

キャッシュメモリとは、CPUと主記憶の速度差を埋めるために搭載される記憶装置で、SRAM(Static RAM)が用いられます。

主記憶とは、CPUが直接読み書きするために実行するプログラムやデータを記憶する装置で、DRAM(Dynamic RAM)が用いられます。

補助記憶とは、主記憶以外の記憶装置のうち、主にコンピュータに常時接続される大容量の記憶装置で、磁気ディスクのHDDや半導体メモリのSSDが用いられます。

パソコンやスマートフォンを動かす上で、なくてはならない存在が「メモリ」です。アプリケーションがスムーズに動いたり、たくさんのデータを保存できたりするのは、メモリがうまく機能しているおかげです。しかし、「メモリ」という言葉はよく聞くものの、「キャッシュメモリ」「主記憶装置」「補助記憶装置」など、様々な種類があって混乱してしまう方も多いのではないでしょうか。

ITパスポート試験においても、これらのメモリに関する知識は、コンピュータのハードウェア分野で頻繁に出題される重要なテーマです。各メモリの役割や特性、そして相互の関係性を正しく理解しておくことは、ITパスポート合格はもちろんのこと、コンピュータの仕組みを理解する上で不可欠な素養となります。

この記事では、コンピュータを動かす上で重要な3つのメモリ、「主記憶装置（メインメモリ）」「補助記憶装置（ストレージ）」「キャッシュメモリ」について、それぞれの役割と違い、そしてコンピュータがどのようにこれらを使い分けているのかを、ITパスポート受験者の方々が迷うことなく理解できるよう、ゼロから徹底的にわかりやすく解説していきます。この記事を読み終える頃には、メモリの全体像がクリアになり、試験対策だけでなく、身の回りのIT機器の仕組みにも興味が湧いてくることでしょう。

メモリの役割を理解する〜コンピュータの「作業机」と「倉庫」〜

まず、コンピュータがどのようにデータを扱うか、人間の活動に例えて考えてみましょう。

コンピュータは、大きく分けて「CPU（中央演算処理装置）」と「メモリ」の2つが連携して動作します。

• CPU（脳）：
  • 計算やデータ処理を行う、コンピュータの「脳」にあたる部分です。
• メモリ（作業机と倉庫）：
  • 「脳」がスムーズに仕事をするための、データを一時的に置いておく「作業机」や、長期的に保管しておく「倉庫」にあたります。

CPUが処理を行うためには、必要なデータをメモリから読み込み、処理結果をメモリに書き込むという動作を繰り返します。このメモリの役割によって、コンピュータはアプリケーションを起動したり、複雑な計算を行ったりすることができるのです。

しかし、メモリには、アクセス速度（読み書きの速さ）や容量、コスト、データの保持特性（電源を切ってもデータが消えないか）など、様々な違いがあります。これらの違いに応じて、メモリは主に以下の3つに分類されます。

1. キャッシュメモリ：最も高速な「一時的な作業スペース」
2. 主記憶装置（メインメモリ）：高速な「作業机」
3. 補助記憶装置（ストレージ）：大容量な「倉庫」

主記憶装置（メインメモリ）とは？〜作業机の「RAM」〜

主記憶装置（メインメモリ）は、CPUが直接データを読み書きする、コンピュータの「作業机」にあたる部分です。通常、「メモリ」という言葉で最も一般的に指されるのがこの主記憶装置です。

主記憶装置の役割と特徴

• 役割： CPUが処理を行うために必要なプログラムやデータを一時的に置いておく場所です。コンピュータの電源を入れると、補助記憶装置に保存されているOS（基本ソフト）やアプリケーションが主記憶装置に読み込まれ、CPUはそこからデータをやり取りして処理を行います。
• 特徴：
  • 高速： 補助記憶装置よりもはるかに高速にデータの読み書きができます。
  • 小容量： 補助記憶装置に比べると容量は少なく、高価です。
  • 揮発性（きはつせい）： ほとんどの主記憶装置は、電源を切るとデータが消えてしまう「揮発性」という性質を持っています。

主記憶装置の種類：RAM

主記憶装置として現在主流なのが、RAM（Random Access Memory：ラム）です。

• RAMは、データの読み書きが自由にできるメモリで、CPUが一時的な作業スペースとして利用します。
• ITパスポート試験で特によく問われるのが、RAMの中でも以下の2種類です。
  • DRAM（Dynamic RAM）：
    • リフレッシュ（データの再書き込み）という作業を定期的に行わないとデータが消えてしまうため、「ダイナミック（動的）」と呼ばれます。
    • 構造が単純で安価、大容量化しやすいため、主記憶装置として広く使われています。
  • SRAM（Static RAM）：
    • リフレッシュが不要で、電源が供給されている間はデータを保持し続けます。
    • DRAMよりも高速ですが、構造が複雑で高価なため、容量はDRAMより小さくなります。
    • 主に、次に解説するキャッシュメモリとして利用されます。

主記憶装置のまとめ

• 役割： CPUの作業スペース
• 代表例： RAM（DRAM、SRAM）
• 特性： 高速、小容量、揮発性

補助記憶装置（ストレージ）とは？〜データを保管する「倉庫」〜

補助記憶装置（ストレージ）は、電源を切ってもデータが消えない、コンピュータの「倉庫」にあたる部分です。

補助記憶装置の役割と特徴

• 役割： OS、アプリケーション、各種ファイル（文書、写真、動画など）を長期的に保管しておく場所です。コンピュータの電源を入れたり切ったりしても、データが失われることはありません。
• 特徴：
  • 大容量： 主記憶装置に比べて、はるかに大容量のデータを保存できます。
  • 低速： 主記憶装置に比べるとデータの読み書き速度は遅いです。
  • 不揮発性（ふきはつせい）： 電源を切ってもデータが消えない「不揮発性」という性質を持っています。

補助記憶装置の種類

補助記憶装置には、様々な種類があります。

• HDD（Hard Disk Drive）：
  • 磁気を利用してデータを記録する、昔からある主流なストレージです。
  • 大容量で安価ですが、物理的に回転する円盤（プラッタ）にデータを書き込むため、衝撃に弱く、読み書き速度は比較的遅いです。
• SSD（Solid State Drive）：
  • 半導体メモリ（フラッシュメモリ）を利用してデータを記録する新しいストレージです。
  • HDDよりも高速で、衝撃に強く、静音性に優れています。
  • HDDに比べるとやや高価ですが、最近では大容量化・低価格化が進み、主流となりつつあります。
• USBメモリ、SDカード：
  • SSDと同じく、フラッシュメモリを利用した小型の補助記憶装置です。手軽にデータを持ち運ぶ用途で使われます。
• CD-ROM、DVD-ROM：
  • 光の反射を利用してデータを記録するストレージです。最近では使われる機会が減っています。

補助記憶装置のまとめ

• 役割： データの長期保管
• 代表例： HDD、SSD、USBメモリ
• 特性： 低速、大容量、不揮発性

キャッシュメモリとは？〜CPU直結の「超高速作業スペース」〜

キャッシュメモリは、CPUが最も頻繁に利用するデータを一時的に保管しておく、超高速な「小さな作業スペース」です。

キャッシュメモリの役割と特徴

• 役割： CPUの処理速度と、主記憶装置のアクセス速度には大きな差があります。この速度差を埋めるために、CPUと主記憶装置の間に挟まれて使われます。CPUが次に使いそうなデータを主記憶装置から先読みしてキャッシュメモリに置いておくことで、主記憶装置にアクセスする手間を減らし、処理を高速化します。
• 特徴：
  • 超高速： 主記憶装置よりもはるかに高速です。CPUの速度に匹敵します。
  • 極小容量： 構造が複雑で非常に高価なため、容量は数メガバイト〜数十メガバイト程度とごくわずかです。
  • 揮発性： 電源を切るとデータが消えます。

キャッシュメモリの種類

キャッシュメモリは、CPUに近い順に「L1キャッシュ」「L2キャッシュ」「L3キャッシュ」という3つの階層構造になっています。CPUに近いほど高速・小容量になり、遠いほど低速・大容量になります。

• L1キャッシュ： CPUのコアに最も近い、超高速・最小容量のキャッシュ。
• L2キャッシュ： L1キャッシュよりはやや低速だが、容量が大きい。
• L3キャッシュ： 複数のCPUコアで共有される、最も低速・最大容量のキャッシュ。

キャッシュメモリのまとめ

• 役割： CPUと主記憶装置の速度差を埋め、処理を高速化
• 代表例： SRAM
• 特性： 超高速、極小容量、揮発性

メモリの階層構造とコンピュータの動作

コンピュータは、これらの異なる特性を持つメモリを、階層的に使い分けています。

【メモリの階層構造】

種類	役割	速度	容量	費用	データの特性
キャッシュメモリ	超高速な作業スペース	最も速い	最小	高価	揮発性
主記憶装置	作業机	速い	小さい	比較的安価	揮発性
補助記憶装置	倉庫	遅い	最大	安価	不揮発性

この階層構造によって、コンピュータは高速性と大容量の両方を実現しています。CPUはまずキャッシュメモリにデータを探しに行き、なければ主記憶装置へ、それでもなければ補助記憶装置へ、という順序でデータにアクセスします。

ITパスポート試験対策としてのメモリ

ITパスポート試験では、メモリの役割や特性に関する知識が問われます。特に以下のポイントを押さえておきましょう。

出題される可能性のあるポイント

• 各メモリの役割と名称の結びつき：
  • 主記憶装置 ＝ メインメモリ ＝ RAM
  • 補助記憶装置 ＝ ストレージ ＝ HDD, SSD
  • キャッシュメモリ ＝ 超高速メモリ ＝ SRAM
• メモリの特性：
  • 「揮発性」と「不揮発性」の違い： 電源を切るとデータが消えるのが揮発性（主記憶、キャッシュ）、消えないのが不揮発性（補助記憶）。
  • 「速度」「容量」「費用」の階層構造： CPUに近いほど「高速」「小容量」「高価」になる。
• 各メモリの代表的な製品：
  • 主記憶装置にDRAM、キャッシュメモリにSRAMが使われていること。
  • 補助記憶装置にHDD、SSD、USBメモリなどがあること。
• キャッシュメモリの目的：
  • CPUと主記憶装置の速度差を埋め、処理を高速化すること。

学習のポイント

• 階層構造をイメージする： 「超高速な小さな作業スペース」→「高速な作業机」→「大容量の倉庫」というイメージで、それぞれの役割と特性を整理すると覚えやすいです。
• 用語をセットで覚える： 「主記憶装置＝揮発性」「補助記憶装置＝不揮発性」のように、関連するキーワードをセットで覚えることが重要です。
• 図を書いてみる： 自分でCPU、キャッシュ、主記憶、補助記憶を階層的に配置した図を書いてみると、それぞれの関係性がより深く理解できます。

メモリの仕組みに関する問題（令和6年 問56）

PCにおいて、電力供給を断つと記憶内容が失われるメモリ又は記憶媒体はどれか。

　ア.  DVD-RAM       

イ.  DRAM       

ウ.  ROM 

  エ.  フラッシュメモリ

出典：令和6年度  ITパスポート試験公開問題 問56

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