揮発性RAMとは｜SRAMとDRAMの違い・性能・消費電力・セキュリティ対策を徹底解説
エバープレイ編集部揮発性RAMとは — 基本定義と概要
揮発性RAM（volatile RAM）は、電源が供給されている間だけデータを保持する主記憶装置（メインメモリ）やキャッシュに用いられる半導体メモリの総称です。電源が切れると格納されたデータは失われるため「揮発性（揮発性＝電源断で消える）」と呼ばれます。コンピュータにおける作業領域や一時的なデータ保存、CPUキャッシュなど、処理速度を要求される箇所に使用されます。
代表的な種類
- SRAM（Static RAM）：フリップフロップ回路（一般に6トランジスタ）で1ビットを保持する。リフレッシュが不要で高速だが、セル面積が大きく高コスト。
- DRAM（Dynamic RAM）：1ビットを1個のコンデンサ＋トランジスタで記憶する。セルは小さく高密度だが、コンデンサの電荷を一定間隔でリフレッシュする必要がある。
内部構造と動作原理
DRAMは「コンデンサに電荷があるかどうか」をビットの0/1で表します。コンデンサはリークするため、通常64ms程度の間隔でリフレッシュ動作（リードして再書き込み）を行います。SRAMはクロスカップルしたトランジスタ回路（SRラッチ）でビットを維持するため、リフレッシュは不要です。
SRAMのセルは一般に6トランジスタ（6T）構成が標準で、読み書きとも高速でランダムアクセスに向きます。DRAMのセルはトランジスタ＋コンデンサ（1T1C）で、面積効率が良く大容量化が容易ですが、アクセスごとに行われる行選択（RAS/CAS）やリフレッシュに伴うレイテンシや消費電力のオーバーヘッドがあります。
性能指標（速度・遅延・帯域幅）
- レイテンシ（アクセス時間）：SRAMは数ナノ秒以下〜数ナノ秒台、DRAMはCASレイテンシで十数ナノ秒〜数十ナノ秒。CPUキャッシュ（SRAM）は最も低遅延。
- 帯域幅：DRAM系（DDR、GDDR、HBMなど）は並列性とバス幅で高帯域幅を提供。近年のDDR5やHBMは高いピーク帯域を実現。
- 密度・コスト：DRAMはセル面積が小さく、同じチップ面積でより多くの容量を実現できるためコスト/ビットが低い。
メモリ階層における役割
コンピュータシステムでは、速度と容量のトレードオフによりメモリ階層が設計されています。SRAMはL1/L2/L3などのキャッシュに使われ、CPUコアに極めて近い場所で高速アクセスを提供します。DRAMは主記憶（メインメモリ）として利用され、プログラムやデータの一時領域を大容量で保持します。ストレージ（SSD/HDD）は非揮発性だがアクセスは遅いので、揮発性RAMは処理速度のボトルネックを解消する重要コンポーネントです。
消費電力と動作温度
揮発性RAMの消費電力は動作モードや設計で大きく異なります。DRAMはリフレッシュと読み書きで動的電力を消費し、モバイル向けのLPDDRは低消費電力設計になっています。SRAMは高速だが静的リーク電流（特に微細化ノードで増加）があるため、常時電源供給が要求されます。データ保持時間は温度に依存し、低温ではDRAMの電荷保持が改善されることから“コールドブート攻撃”のリスクにも関係します。
セキュリティとデータ残留（Data Remanence）
揮発性であっても、電源断直後や低温環境下ではデータの残留（残留電荷）が数秒〜数時間にわたって残る場合があります。これを悪用したコールドブート攻撃により暗号鍵などの機密情報が回収される例が知られています。対策としてはメモリ暗号化（AESベースの暗号化エンジンやメモリコントローラレベルでの透過的暗号化）、RAMの電源断時に素早くメモリ消去する仕組み、暗号鍵の専用セキュア要素での保管などがあります。
障害対策（信頼性）
サーバや重要用途ではECC（Error-Correcting Code）付きDRAMが用いられ、1ビットのエラー訂正や多ビット検出を行います。サーバ向けメモリは一般にECC DIMMの形で提供され、長期稼働や高信頼性が要求されるシステムで標準となっています。また、近年のメモリ規格は検査やセル補正技術も含めて信頼性向上が図られています。
揮発性RAMと非揮発性メモリ（比較）
非揮発性メモリ（NVM）の例としてはフラッシュメモリ、3D XPoint（Intelの"Optane"に使われた技術、現在は商用構成の差し替えあり）、MRAM、ReRAM、FeRAMなどがあります。これらは電源断でもデータを保持しますが、アクセス速度や耐久性、コストの観点で揮発性RAMとはトレードオフがあります。近年は「永続メモリ（persistent memory）」やNVDIMM（バッテリ/スーパーキャパシタ付きDRAM）といった領域が登場し、揮発性の特性を補う形でシステム設計の選択肢が増えています。
主な規格・製品動向
- DDR（Double Data Rate）ファミリ：DDR3 → DDR4 → DDR5 と進化し、帯域幅やチャネル数、電圧、内部アーキテクチャの改善が行われている。
- LPDDR（モバイル向け）：低消費電力化を重視し、スマートフォンやタブレットで多用。
- GDDR / HBM：グラフィックス用途やAI向けの高帯域幅メモリ。HBMは3D積層とシリコン相互接続（TSV等）で高密度・高帯域を実現。
- NVDIMM / Persistent Memory：DRAMの高速性と不揮発性を組み合わせる試み（バッテリ補助や新しいメモリ材料を利用）。
課題と今後の技術動向
- スケーリング限界：DRAMコンデンサの微細化やトランジスタのリークが限界に近づき、製造技術（高κゲート、3D構造、積層）で対応。
- 消費電力と効率：データセンターの電力効率が重要で、低消費電力DRAMやメモリ階層の最適化が進む。
- メモリと演算の融合（計算近接メモリ／CIM）：AI・機械学習のためにメモリ内演算やメモリ近接演算の研究が進行。
- 新しい材料とNVMの台頭：MRAMやReRAMなどの次世代不揮発性メモリが一部用途で採用され始め、将来的には揮発性RAMとの役割分担が変わる可能性がある。
実務上のポイント（システム設計者向け）
- 必要な容量・帯域・遅延を整理し、SRAM（キャッシュ）とDRAM（メイン）を適切に配置する。
- データの持続性が必要な場合は、揮発性RAMだけに頼らずストレージやNVDIMM、ソフトウェアでのチェックポイントを併用する。
- セキュリティ要件（メモリ暗号化や早期消去）と信頼性対策（ECC、リフレッシュ管理）を設計段階で組み込む。
まとめ
揮発性RAMは、計算機の性能を支える中心的要素であり、SRAMとDRAMという2つの代表的技術それぞれが速度・容量・コストのトレードオフで使い分けられています。電源断でデータが消えるという性質はシステム設計上の制約であると同時に、速度とコストの最適化を可能にする特性でもあります。近年は高帯域幅メモリ、永続メモリ、3D積層技術、メモリ暗号化などの進展があり、揮発性RAMを取り巻くエコシステムは変化し続けています。システム用途に合わせた選択と、セキュリティ・信頼性の確保が重要です。
参考文献
- 揮発性メモリ - Wikipedia（日本語）
- DRAM - Wikipedia（日本語）
- SRAM - Wikipedia（日本語）
- JEDEC — 標準化団体（DDRなどの規格情報）
- Cold boot attack - Wikipedia（英語）
- Intel Optane Persistent Memory（製品情報）
- Non-volatile memory - Wikipedia（英語）
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