3D XPoint（MRAM: エムラム）

2025年10月13日

3D XPoint（MRAM: エムラム）

英語表記: 3D XPoint

概要

3D XPointは、インテルとマイクロンが共同開発した革新的な不揮発性メモリ技術です。この技術は、既存のDRAM（揮発性メモリ）とNAND型フラッシュメモリ（低速な不揮発性メモリ）の間に存在する性能のギャップを埋めることを目的として開発されました。コンピュータの構成要素における主記憶装置の文脈では、DRAMに匹敵する高速なアクセス速度を持ちながら、電源を切ってもデータが消えない不揮発性を兼ね備えている点が最大の特徴です。この画期的な特性により、従来のメモリ階層構造を大きく変える可能性を秘めた次世代メモリとして注目を集めています。

詳細解説

3D XPointが、揮発性と不揮発性メモリという分類においてなぜ重要なのか、その動作原理と目的を詳しく見ていきましょう。

目的と位置づけ

従来のコンピュータシステムでは、メインメモリとしてDRAMが使われますが、これは非常に高速なアクセスが可能である反面、電源を落とすとデータが消えてしまう「揮発性」を持っています。一方、大容量のストレージとして使われるNANDフラッシュ（SSDなど）は「不揮発性」ですが、DRAMに比べてアクセス速度が著しく遅いという欠点があります。

3D XPointは、この「速度と永続性」のトレードオフを解消するために生まれました。DRAMより大容量・低コストで提供でき、NANDフラッシュより遥かに高速なアクセス、そしてDRAMにはない不揮発性を実現することで、メインメモリとストレージの中間に位置する新しいメモリ階層を構築することを目指しています。これは、システム全体のボトルネック解消に大きく貢献する、非常にエキサイティングな技術だと思います。

主要構成要素と動作原理

3D XPointの最大の特徴は、その立体的な構造（3D）と、データを記録する原理にあります。

セルスタック構造（3D構造）: 従来のメモリが平面的な構造を持つのに対し、3D XPointはその名の通り、メモリセルを立体的に積み重ねています。これにより、同じ面積でも大容量化を実現しています。この構造は、コンピュータの構成要素における集積度の向上に直結します。
クロスポイント・アーキテクチャ: メモリセルが、互いに交差するワイヤ（ワード線とビット線）の間に配置されています。この交差点（クロスポイント）がメモリセルとなり、個々のセルに独立してアクセスできます。
抵抗変化の利用: 3D XPointは、一般的に相変化メモリ（PCM: Phase Change Memory）技術を基盤としていると考えられています。これは、特定の物質に電流を流すことで、その電気抵抗の状態（アモルファス状態と結晶状態）を変化させ、これをデータの「0」と「1」に対応させる仕組みです。抵抗の変化は電源を切っても維持されるため、不揮発性メモリとして機能するのです。

この抵抗変化を利用する仕組みは、DRAMがコンデンサへの電荷の有無を利用するのとは根本的に異なり、高速性と不揮発性を両立させる鍵となっています。

MRAMとの関係について

テンプレートには「MRAM」とありますが、3D XPointは抵抗変化を利用するものであり、磁気抵抗を利用するMRAM（磁気抵抗メモリ）とは技術的な原理が異なります。しかし、どちらもDRAMやNANDに代わる「次世代不揮発性メモリ」という大きなカテゴリに含まれるため、試験対策上、混同しやすい用語として認識しておく必要があります。

具体例・活用シーン

3D XPoint技術は、インテルが「Optane（オプテイン）」というブランド名で製品化を進めていました。この技術が主記憶装置（RAM, キャッシュ）の文脈でどのように活用されたかを見てみましょう。

1. 高速なキャッシュとしての利用

Optaneメモリは、SSDとCPUの間で動作する高速なキャッシュとして利用されました。これにより、HDDや低速なSSDを使っているシステムでも、頻繁にアクセスするデータやアプリケーションの起動速度を劇的に向上させることができました。これは、従来のDRAMキャッシュでは実現できない、電源を切ってもキャッシュ内容が保持される（不揮発性）というメリットを活かしたものです。

2. 永続性メモリ（Persistent Memory）としての利用

サーバー環境では、DRAMスロットに直接挿入し、メインメモリとして利用できる「Optane Persistent Memory」が提供されていました。これは、DRAMの高速アクセス性を持ちながら、サーバーが予期せずシャットダウンしても、メモリ上のデータが失われないという画期的な機能を提供しました。データベースやインメモリコンピューティングにおいて、システムの復旧時間を大幅に短縮できるため、特にエンタープライズ分野で大きな注目を集めました。

アナロジー：記憶力の良い中間管理職

3D XPointの役割を理解するために、メモリ階層を会社組織に例えてみましょう。

CPUレジスタ/キャッシュ（役員）: 非常に優秀で即座に作業しますが、扱える情報量は極めて少ないです。
DRAM（一般社員）: 処理速度は速いですが、休憩（電源オフ）に入ると、それまで作業していた内容（データ）はすべて忘れてしまいます（揮発性）。
NAND/HDD（倉庫担当）: 記憶容量は膨大ですが、必要な情報を探して持ってくるのに時間がかかります（低速）。

ここで登場するのが3D XPoint（中間管理職）です。中間管理職は、一般社員（DRAM）ほどではないにせよ、非常に迅速に動くことができます。さらに、一般社員と違って、会議が終わっても、担当したプロジェクトの内容をしっかり覚えていて（不揮発性）、電源を切ってもデータが永続的に残ります。

この「高速で、かつ忘れない」中間管理職が、DRAMとNANDの間に立つことで、役員（CPU）が必要な情報をすぐに提供できるようになり、会社全体の業務（システム性能）が劇的に改善されるのです。これが、3D XPointが揮発性と不揮発性メモリの境界線上で果たした、非常に重要な役割なのです。

資格試験向けチェックポイント

3D XPointやOptaneに関する直接的な出題は、最新技術動向として応用情報技術者試験や高度試験で見られることがありますが、基本情報技術者試験やITパスポート試験では、主に「メモリの特性」を問う文脈で出題される可能性が高いです。

ITパスポート・基本情報向け（メモリの基本特性）
- 不揮発性であること: 3D XPointは電源を切ってもデータが保持される不揮発性メモリであることを確実に覚えておきましょう。これがDRAM（揮発性）との決定的な違いです。
- メモリ階層における位置づけ: DRAMとNANDフラッシュ（SSD）の間に位置し、高速性と永続性を両立させる技術である、という認識が重要です。
- 次世代メモリ: 「DRAMやNANDに代わる新しいメモリ技術」として認識しておけば十分です。
応用情報向け（技術詳細と応用）
- 永続性メモリ（Persistent Memory）: サーバーやデータベースにおける高速な不揮発性メモリの概念として出題される可能性があります。システムの高速復旧やデータ永続性の向上というメリットを理解しておきましょう。
- 性能の比較: 読み書きの速度はNANDより速く、DRAMに迫る。寿命（書き換え耐性）はNANDより優れている、という相対的な性能差を把握することが求められます。
- 技術的背景: 相変化メモリ（PCM）の技術を利用している点や、クロスポイント構造による高密度化・高速化の仕組みを問われることがあります。

重要ポイント: この技術は、コンピュータの構成要素におけるメモリ階層の概念を理解しているかを試すのに非常に適しています。DRAMが主記憶装置として使われる理由（高速性）と、NANDが補助記憶装置として使われる理由（不揮発性、大容量）を理解した上で、その中間の性能を持つ3D XPointがどのような役割を果たすのかを整理しておきましょう。