永続メモリ

2025年10月26日

永続メモリ

英語表記: Persistent Memory

概要

永続メモリ（Persistent Memory、PM）は、従来のメモリ（DRAM）が持つ高速性という利点と、ストレージ（SSDやHDD）が持つ電源を切ってもデータが消えない永続性という利点を、両方兼ね備えた革新的な記憶技術です。これは、私たちが今取り組んでいるメモリ階層（キャッシュ, DRAM, NVRAM）の分類において、DRAMとストレージの間に位置する新しいクラス、すなわちストレージクラスメモリ（SCM）を実現する中核技術として非常に注目されています。特に、既存のメモリ階層のボトルネックを解消し、データ処理のあり方を根本から変える可能性を秘めている点が魅力的だと感じています。

詳細解説

永続メモリは、従来のメモリ階層における大きな課題、すなわち「速度の壁」と「永続性の壁」を打ち破るために開発されました。DRAMは非常に高速ですが、揮発性（電源が切れるとデータが消える）です。一方、SSDなどのストレージは永続的ですが、DRAMと比較するとアクセス速度が遅く、CPUからデータにアクセスする際にはI/Oバスを経由するため遅延が発生します。

目的と背景：メモリ階層の進化

永続メモリは、この速度差と特性の違いによるギャップを埋めるために、不揮発性メモリと新技術の分野から生まれました。具体的には、DRAMのソケット（DIMMスロット）に直接接続され、CPUがメインメモリと同じようにバイト単位で直接アクセスできる点が最大の特徴です。これにより、OSやアプリケーションは、永続メモリを「永続的なDRAM」として、あるいは「極めて高速なストレージ」として活用できるようになります。

主要コンポーネントと動作原理

永続メモリを実現する技術としては、主に3D XPoint技術（クロスポイント・アーキテクチャ）などの新しい不揮発性メモリ（NVRAM）技術が用いられます。従来のNANDフラッシュメモリとは異なり、これらの新技術は書き換え速度が速く、DRAMに近いレベルの低遅延アクセスが可能です。

メモリバス接続: 永続メモリは、従来のストレージのようにI/Oバス（SATAやPCIe）ではなく、CPUに直結されたメモリバスに接続されます。これがDRAM並みの高速アクセスを可能にする鍵です。
デュアルモード: 永続メモリは、システム内で大きく分けて二つのモードで利用できます。一つはDRAMを拡張する「メモリモード」（揮発性キャッシュとして利用）、もう一つは永続性を生かした「App Directモード」（アプリケーションが直接永続データにアクセス）です。ストレージクラスメモリとしての真価を発揮するのは、後者のApp Directモードだと考えています。
不揮発性: 電源が供給されなくなっても、データが半導体素子内に保持されます。これにより、システムがクラッシュしたり再起動したりしても、メモリ上にあったはずの重要なデータ（例えばデータベースのトランザクションログなど）が瞬時に利用可能となります。

この技術は、DRAMとストレージの遅延の差が広がる中で、データセンターや高性能コンピューティング（HPC）において、特に重要度を増している分野です。永続メモリは、メモリ階層の常識を覆す、非常にエキサイティングな存在なのです。

具体例・活用シーン

永続メモリが、いかにしてメモリ階層（キャッシュ, DRAM, NVRAM）の中で革新的な役割を果たすのかを理解するために、具体的な活用シーンや比喩を用いて説明します。

1. データベースの高速リカバリ

従来のデータベースシステムでは、クラッシュに備えて、メモリ上のデータを頻繁にディスク（SSD/HDD）に書き出す必要がありました。この書き出し作業（チェックポイント処理やログ書き込み）が、しばしばシステム全体のボトルネックとなります。

永続メモリを導入すると、トランザクションログや重要なインデックスデータを永続メモリ上に直接配置できます。電源が落ちてもデータは残っているため、システム再起動時のリカバリ処理が劇的に高速化されます。数十分かかっていたリカバリが数秒で完了する、これはもう魔法のような体験です。

2. インメモリコンピューティングの実現

インメモリデータベース（全てのデータをDRAM上に保持するDB）は非常に高速ですが、DRAMの容量には限界があり、コストも高くなります。永続メモリはDRAMよりも大容量で、単価が抑えられているため、より大規模なデータをメモリ領域として扱うことが可能になります。これにより、ビッグデータ解析やリアルタイム処理が、より手軽に、かつ大規模に行えるようになります。

3. アナロジー：書斎の書類と金庫

永続メモリの特性を、私たちの身近なオフィス環境に例えてみましょう。

永続メモリは、この「デスクの引き出し内にある小型金庫」のように、CPUのすぐ近く（メモリ階層の上位）に配置され、高速アクセスと永続性の両立を可能にしているのです。この比喩を使えば、ストレージクラスメモリがなぜ重要なのか、その位置づけが明確になるかと思います。

資格試験向けチェックポイント

永続メモリ（Persistent Memory, PM）やそれを内包するストレージクラスメモリ（SCM）の概念は、特に応用情報技術者試験や、新しい技術動向を問う問題で出題される可能性が高い分野です。

キーワードの理解: 「永続メモリ」＝「不揮発性」＋「高速性」であることを確実に覚えます。従来のDRAMとSSD/HDDの中間の特性を持つ、新しいメモリ階層の構成要素として認識することが重要です。
SCM（ストレージクラスメモリ）の位置づけ: SCMが、従来のメモリ（DRAM）とストレージ（NAND/SSD）の間に新設された階層であることを問う問題が出ることが予想されます。速度とコスト、容量のバランスにおいて、どの位置にあるのかを階層図で確認しておきましょう。
- 階層の上から順に: キャッシュ → DRAM → 永続メモリ（SCM） → SSD → HDD
接続方式: 永続メモリは、PCIeなどのI/Oバスではなく、CPUのメモリバスに直接接続されることで、低遅延を実現している点が頻出ポイントです。
揮発性/不揮発性の区別: DRAMが「揮発性」であるのに対し、永続メモリは「不揮発性」であることを問う基本的な知識問題は、ITパスポートや基本情報技術者試験でも出題される可能性があります。
活用目的: 永続メモリの導入目的として、「システムの高速リカバリ」「大規模インメモリ処理の実現」「I/Oボトルネックの解消」などが選択肢として提示された場合、それらが正しいことを判断できるようにしてください。
応用情報技術者試験対策: 永続メモリを活用した際に、OSやアプリケーションがデータを扱う際のプログラミングモデル（メモリマップドファイル、アトミック操作など）の概念的な理解が求められることがあります。