主記憶

2025年10月25日

主記憶

英語表記: Main Memory

概要

主記憶は、CPUが現在実行しているプログラムの命令や、処理対象のデータを一時的に保持するための高速な記憶装置です。メモリ階層モデルにおいて、主記憶はCPUに最も近いレジスタやキャッシュメモリのすぐ下の層に位置し、補助記憶装置（二次記憶装置）よりも圧倒的に速いアクセス速度を提供します。この位置づけにより、主記憶はシステムの主要な「作業スペース」として機能し、CPUの処理能力を最大限に引き出すための橋渡し役を担っています。

詳細解説

メモリ階層における役割と目的

主記憶の主要な目的は、速度の異なるCPUと補助記憶装置（HDDやSSD）の間のギャップを埋め、CPUが必要とする情報を迅速に供給することです。私たちが議論している「メモリ階層モデルの全体像」という文脈では、CPUからの要求に対して、まず最上位のキャッシュメモリが応答を試み、キャッシュミスが発生した場合に主記憶にアクセスが行われます。主記憶は、キャッシュに比べて容量は大きいものの、アクセス速度は遅くなります。しかし、補助記憶装置から直接データを読み書きするよりはるかに高速であり、この高速性が現代のコンピュータシステムのスムーズな動作を支えていると言えます。

構成要素と仕組み（DRAMの役割）

現在のコンピュータシステムにおける主記憶の大部分は、DRAM（Dynamic Random Access Memory）で構成されています。DRAMは、その名の通り、データをランダムに読み書きできるアクセス性に優れていますが、技術的な特性として「揮発性」であることが大きな特徴です。これは、電源供給が停止すると保持していたデータがすべて消えてしまうことを意味します。そのため、永続的なデータ保存には使用されず、あくまでプログラム実行中の作業領域として利用されます。

DRAMは、コンデンサに電荷を蓄えることでデータを保持していますが、時間の経過とともに電荷が漏れてしまうため、データを維持するためには定期的な「リフレッシュ」操作が必要です。このリフレッシュが必要な点が、SRAM（キャッシュメモリに使用される）よりもアクセス速度が遅くなる一因でもあります。

仮想記憶システムとの連携

主記憶の容量には物理的な限界があります。しかし、現代のオペレーティングシステム（OS）は「仮想記憶」という技術を利用して、この限界を克服しています。仮想記憶システムでは、主記憶と補助記憶装置の一部を一体のものとして扱い、あたかも非常に大きな主記憶が存在するかのように見せかけます。CPUは仮想アドレス空間を用いてデータを要求しますが、OSはこの仮想アドレスを物理的な主記憶のアドレスに変換（マッピング）します。

もし要求されたデータが主記憶に存在しない場合（ページフォールト）、OSは補助記憶装置からそのデータを主記憶に読み込みます。このように、主記憶は仮想記憶システムの中心的な要素として機能し、「メモリ階層の構成」において、物理的な速度と論理的な容量のバランスを取るという非常に複雑な役割を担っているのです。

具体例・活用シーン

1. アプリケーションの同時実行

私たちがパソコンでウェブブラウザ、文書作成ソフト、動画編集ソフトを同時に立ち上げている状況を想像してください。これらの実行中のプログラム、そしてそれらが現在開いているファイルデータは、すべて主記憶（RAM）上にロードされています。もし主記憶の容量が不足すると、OSは頻繁に補助記憶装置との間でデータの入れ替え（スワッピング）を行う必要が生じ、システム全体の動作が極端に遅くなってしまいます。この遅延こそが、メモリ階層における主記憶の処理速度がボトルネックとなっている証拠なのです。

2. 作業デスクとしての主記憶（アナログな比喩）

主記憶の役割を理解するための、とても分かりやすい比喩をご紹介しましょう。

CPUを、目の前のプロジェクトを迅速に処理する「研究者」だと考えてください。そして、補助記憶装置（SSDやHDD）は、膨大な資料が保管されている「巨大な図書館の書庫」です。

この比喩において、主記憶は研究者が実際に作業を行う「大きな作業デスク（机）」に相当します。

研究者（CPU）は、書庫（補助記憶）から必要な資料（データやプログラム）を一度に大量に取り出し、この作業デスク（主記憶）の上に広げます。デスクが広ければ広いほど（主記憶容量が大きければ大きいほど）、多くの資料を同時に広げて参照できるため、作業効率は向上します。

一方、キャッシュメモリは、研究者が今まさに使っているペンやメモ帳、コーヒーカップなど、手を伸ばせばすぐに取れる「デスクの非常に狭い範囲」です。

つまり、主記憶は、書庫から取り出された資料を、研究者が高速にアクセスできる状態に「一時的に展開しておく」という、メモリ階層の中間管理職のような役割を担っていると言えます。デスク（主記憶）が狭いと、資料を広げきれずに頻繁に書庫（補助記憶）に戻す手間が発生し、作業が中断されてしまうのです。

3. ゲームや動画編集

特に容量の大きなデータを扱うシーン（高解像度の動画編集、大規模な3Dゲーム）では、主記憶の容量と速度が処理能力に直結します。これらのアプリケーションは、一度に大量のテクスチャデータやフレームデータを主記憶に展開する必要があるため、主記憶が不足すると、処理が滞り、カクつきやフリーズの原因となります。これは、メモリ階層の設計が、アプリケーションの快適性に直結している具体的な例です。

資格試験向けチェックポイント

IT系の資格試験、特にITパスポート試験や基本情報技術者試験において、主記憶は「メモリ階層の構成」を理解するための中心的な概念として頻出します。以下の点を重点的に確認しておきましょう。

階層構造と速度・容量の関係:
- 主記憶は、キャッシュメモリ（SRAM）より「低速だが大容量」であり、補助記憶装置より「高速だが小容量」である、という相対的な位置づけを必ず理解してください。この速度と容量のトレードオフは、メモリ階層モデルの核心です。
DRAMと揮発性:
- 主記憶の主要な構成要素はDRAMであり、「電源を切るとデータが消える（揮発性である）」という特性が非常に重要です。ROMやNVRAM（不揮発性メモリ）との違いを明確に区別できるようにしておきましょう。
仮想記憶の役割:
- 主記憶の物理的な容量を超えてメモリを利用可能にする「仮想記憶」の仕組みと、その際に発生する「ページフォールト」の概念は、応用情報技術者試験でも頻出します。主記憶が仮想記憶のアドレス空間を管理する中心的な役割を担っていることを押さえてください。
アクセス時間（Latency）:
- CPUが主記憶にアクセスする際の所要時間（メモリアクセス時間）は、システム全体の性能に直結します。キャッシュヒット率を高めることが、実質的な主記憶へのアクセス頻度を減らし、性能を向上させる鍵である、という関連性を理解しておきましょう。
主記憶の別名:
- 主記憶は「メインメモリ」「RAM（Random Access Memory）」とも呼ばれます。特に試験問題では、用語が混在して使用されることがあるため、同義語を把握しておくことが重要です。