メモリとストレージ、何が違う？ 電源を切ると消えるしくみから、SSDの寿命・メモリ不足まで｜ラクにゃんとミナが解説

いい所に目をつけたね。その 2 つは、名前は似ているけれど、まったく別の箱の話なんだよ。

それも、同じ話につながっているよ。写真をしまっている箱と、パソコンの速さに効く箱は、別のものなんだ。

そう。今日は、その 2 つの箱、メモリとストレージを、中のしくみからのぞいていこうね。電源を切るとなぜ消えるのか、SSD に寿命があるのはなぜか、メモリが足りないと何が起きるのかまで、順番に見ていくよ。

1 つ目は、メインメモリ。主記憶ともいうよ。CPU が今まさに使っているプログラムやデータを、一時的に置いておく場所なんだ。スマホの「メモリ 8GB」は、これのことだよ。

2 つ目は、ストレージ。補助記憶ともいうね。SSD やハードディスクのように、データをずっとしまっておく場所だよ。スマホの「ROM 128GB」や「容量 128GB」は、こっちのこと。ROM という書き方には、あとでつっこむね。

台所で考えてみよう。料理をするとき、使う食材は冷蔵庫に入っているよね。でも、家じゅうの食べ物を全部冷蔵庫に入れるのは無理だから、お米や缶づめは、家の外の倉庫にしまってある。

メインメモリが冷蔵庫、ストレージが倉庫だよ。冷蔵庫はすぐ手が届くけれど、大きくできない。倉庫はたくさん入るけれど、取りに行くのに時間がかかる。速くて大きくて安くて、電源を切っても消えない記憶は、今のところ作れないんだ。だから、得意なことの違う 2 つを組み合わせているんだよ。

取り出し方から違うんだ。メインメモリには、1 バイトごとに番地が付いていて、CPU は「1,000 番地の 1 バイトをちょうだい」と、どこでも同じ速さで、ほんの一瞬で取り出せる。

ストレージは、本棚の箱のように、ある程度のまとまり（ブロック）ごとに出し入れするよ。1 バイトだけ欲しくても、箱ごと運んでくるんだね。それに、取り出すまでの待ち時間が、メインメモリの千倍以上も長いんだ。

CPU の記事で、この差を人の時間に直したことがあったね。メインメモリが 1 分半なら、SSD は 1〜2 日くらい。だから CPU は、ストレージから直接ではなく、メインメモリに運んでから使うんだよ。

順番に見てみよう。ファイルをダブルクリックすると、まずストレージから、アプリとファイルの中身がメインメモリに写される。CPU は、メインメモリの上で、それを動かしたり書き換えたりするんだ。

ミナが今書き足した文は、まだメインメモリの上にしかない。ストレージのファイルは、開いたときのままなんだよ。

そう、保存は、メインメモリの上の今の中身を、ストレージに書き写すことなんだ。保存する前に停電したら、メインメモリの中身は消えるから、書き足した分もいっしょに消えてしまう。ストレージのファイルは、最後に保存したときのまま残るよ。

今のアプリの多くは、数分ごとに自動で書き写してくれるよ。クラウドの文書なら、打つたびにサーバーのストレージへ送っている。それでも、「保存するまでは、消える箱の上にある」という考え方は、覚えておくと安心だね。

メインメモリに使われている部品は、DRAM（ディーラム）というよ。1 つの記憶（1 ビット）は、トランジスタ 1 つと、電気をためる小さなコンデンサ 1 つでできている。コンデンサに電気がたまっていれば 1、空なら 0 なんだ。

ところが、このコンデンサは、とても小さい穴のあいたバケツみたいなものでね。ためた電気が、少しずつもれていってしまうんだよ。

そうなる前に、中身を全部読んで、もう一度書き直しているんだ。これをリフレッシュというよ。決まりでは、およそ 64 ミリ秒ごと。1 秒に 16 回くらい、何百億個ものバケツを、全部満たし直しているんだね。

いいところに気がついたね。書き直している所は、そのあいだ読み書きができないんだ。だから、メモリの係は、CPU の注文の合間を縫って、少しずつ順番に書き直しているよ。そのぶん、時間も電気も少し使う。それでもスマホは、画面を消して眠っているあいだも、メモリの中身を守るために、ほそぼそとリフレッシュだけは続けているんだよ。

電源が切れると、この書き直しが止まる。だから、バケツの水がもれきって、中身がなくなってしまうんだ。この「電源がないと消える」性質を、揮発性というよ。

実は、一瞬では消えないんだよ。2008 年の研究で、電源を切ったあとも、数秒くらいは中身がほとんど残っていて、冷やすともっと長く残ることが確かめられたんだ。電気がもれるのには、少し時間がかかるからだね。消える理由は、「書き直す係がいなくなるから」なんだよ。

いい質問だね。実は、DRAM の前に長く主役だった記憶は、電源を切っても消えなかったんだよ。

1940 年代の終わりには、ブラウン管の画面に光の点を並べて覚える、ウィリアムズ管という記憶が使われていた。光の点はすぐ薄れるから、DRAM と同じように書き直し続けていたんだよ。そして 1950 年代の半ばから 70 年代の半ばまでの主役は、磁気コアメモリ。ドーナツの形をした小さな磁石の輪を、網の目のように並べて、輪の磁石の向きで 0 と 1 を覚えていたんだよ。

そうなんだ。でも、輪を 1 つずつ線に通して作るから、手間がかかって、たくさん詰め込むのが大変だった。

そこで、1966 年に IBM のロバート・デナードさんが、トランジスタ 1 つで 1 ビットを覚える DRAM のしくみを考えたんだ。1970 年には、インテルが 1103 という DRAM のチップを売り出して、磁気コアメモリから置き換わっていったよ。

部品が少ないから、小さく、安く、たくさん詰め込める。それが、消える弱点より大きかったんだよ。消える分は、リフレッシュとストレージへの保存で補えばいいからね。

ちなみに、もっと速い SRAM という記憶もあるよ。1 ビットにトランジスタを 6 つ使って、電源がある限り、書き直さなくても中身を保つ。速いけれど場所をとるから、CPU のすぐそばのキャッシュメモリに少しだけ使われているんだ。

中身は、フラッシュメモリという部品だよ。絶縁体という、電気を通さない壁で囲んだ小さな部屋に、電子を閉じ込めて覚えるんだ。壁があるから、電源を切っても、電子はなかなか逃げ出さない。この性質を、不揮発性というよ。

フラッシュメモリを考えたのは、東芝にいた舛岡富士雄さん。1980 年代に発表して、今では SSD にも、USB メモリにも、SD カードにも、スマホにも入っているよ。

名前の由来はそれなんだ。それまでの書き換えられる記憶は、少しずつ消したり、紫外線を当てて何分もかけて消したりしていた。フラッシュメモリは、まとまった範囲を一度にパッと消せる。その様子が、カメラのフラッシュみたいだったから、この名前になったと言われているよ。

今のフラッシュメモリは、部屋を横に並べるだけでなく、上へ上へと何百階も積み重ねて作っているんだ。土地が限られた街に、高いマンションを建てるのと同じだね。だから、指の先くらいの大きさのチップに、何百 GB も入るんだよ。

最初はそうだったんだ。でも今は、1 つの部屋に入れる電子の量を、何段階にも分けているんだよ。

2 段階なら 1 ビット（SLC）、4 段階なら 2 ビット（MLC）、8 段階なら 3 ビット（TLC）、16 段階なら 4 ビット（QLC）。段を増やすほど、同じ部屋の数でたくさん覚えられるから、安く大きくなるんだ。

段と段のあいだには、少しゆれても読みまちがえないための「余白」があるんだ。段を増やすと、1 つの帯がどんどん細くなって、余白が減るんだ。電子が少し逃げたり、壁が傷んだりしただけで、隣の段とまちがえやすくなる。

それに、電子を出し入れするたびに、壁は少しずつ傷んでいく。だから、書き換えられる回数に限りがあるんだよ。目安として、1 ビットの SLC なら何万回、4 ビットの QLC だと千回くらいと言われているね。

そこで工夫があるんだ。SSD の中には、どこに何を書いたかを覚えている係がいてね。同じ場所ばかり書き換えないように、空いている場所へ書き込みを散らしているんだよ。これをウェアレベリングというよ。フラッシュメモリは、書くのは小さな単位（ページ）でできるけれど、消すのは大きな単位（ブロック）でしかできないから、この係のやりくりが欠かせないんだね。

SSD の仕様には、「TBW」という数字が書いてあることが多いよ。生きているあいだに、合わせて何 TB まで書き込めるかの目安なんだ。ふつうの事務の使い方なら、この数字より先に、パソコンのほうを買い替えることが多いね。

そこが落とし穴なんだ。閉じ込めた電子も、ほんの少しずつは逃げていく。特に、たくさん書き換えて壁が傷んだ SSD は、電源を入れないまま長く置くと、データが読めなくなることがあるんだよ。規格では、書き換えの寿命まで使ったパソコン向けの SSD で、電源を切って 30 度くらいの部屋に置いたとき、1 年ほどもつことが目安になっているんだ。暑い所では、もっと短くなるよ。

長くしまっておくバックアップは、ときどき電源を入れて中身を確かめよう。それに、1 つの入れ物だけに頼らず、別の入れ物にもコピーしておくと安心だね。これは 8 章の「3-2-1」で話すよ。

実は、すぐには消えていないことがあるんだ。ファイルを削除すると、まず、ストレージの「目次」から、そのファイルの行が消える。ハードディスクや USB メモリ、SD カードでは、中身のデータが上書きされるまで、そのまま残っていることが多いんだよ。SSD は、消した場所を早めに片付ける機種が多いけれど、いつ、どこまで消えるかは機種しだいなんだ。

そうなんだ。だから、パソコンを捨てたり、人に譲ったりするときは、ごみ箱を空にするだけでは足りないよ。Windows なら、初期化で「すべて削除する」を選んで、「データの消去」をオンにする。ほかにも、メーカーの消去の道具を使う、ふだんからストレージを暗号化して鍵をかけておく、といった方法があるね。Windows のこの機能は家庭向けで、国や業界の消去の基準までは満たさないと Microsoft も書いているから、会社のパソコンなら、データ消去の証明書を出してくれる業者に頼むと安心だよ。

メモリには、RAM と ROM という分け方もあるんだ。RAM は、どこでも自由に読み書きできるメモリ。メインメモリの DRAM も、キャッシュの SRAM も RAM だよ。

ROM は、もともと「読むだけのメモリ」という意味。工場で中身を書き込んだら、もう変えられない部品のことだったんだ。電源を切っても消えないから、機械が起動するための最初の手順などをしまっておくのに使われたよ。

そのあと、紫外線を当てると消せる ROM、電気で消せる ROM と、だんだん書き換えられるようになっていった。フラッシュメモリは、この「電気で消せる ROM」の仲間なんだ。

そう、ややこしいよね。スマホの売り場で「ROM 128GB」と書くのは、写真やアプリをしまうストレージが、ROM の仲間のフラッシュメモリでできているからなんだ。本当の意味の「読むだけ」ではないから、「ストレージ 128GB」と読みかえると分かりやすいよ。

それぞれ、覚え方がまったく違うんだ。まずハードディスク。中には鏡のような円盤があって、表面にびっしり並んだ小さな磁石の向きで 0 と 1 を覚えている。円盤が 1 分に 7,200 回という速さで回って、腕の先のヘッドが読み書きするよ。

ヘッドは、円盤に触れていない。回る円盤が起こす風で、ほんの少し浮いて飛んでいるんだ。そのすき間は、髪の毛の太さの 1 万分の 1 ほど。だから、動いているときに落とすと、ヘッドが円盤にぶつかって壊れやすいんだよ。

特に、起動とアプリを開くときに差が出るよ。こういうときは、大きなファイルを 1 つ読むのではなく、小さな読み出しが何千回も続くんだ。ハードディスクは、1 回ごとに、腕を動かして、円盤が回ってくるのを待つ。1 回あたり 10 ミリ秒くらいかかるんだよ。

SSD には、回る物も動く腕もないから、1 回は 0.1 ミリ秒くらい。100 倍くらい違うんだ。小さな待ちが何千回も積み重なるから、体感では「別のパソコンみたい」に変わるんだね。

同じお金なら、ハードディスクのほうがたくさん入るんだ。だから、大量のデータをしまうサーバーや、録画の機械では、今も現役だよ。USB メモリや SD カードは、中身は SSD と同じフラッシュメモリ。小さくて持ち運びに便利だけれど、失くしやすいから、大事なデータの置き場をそこだけにしないようにしようね。

光ディスクは、表面の小さなくぼみに当てたレーザーの跳ね返り方で 0 と 1 を読むよ。CD は赤外線、DVD は赤、ブルーレイは青紫の光を使う。波長が短いほど細かい点に絞れるから、CD が 700MB、DVD が 4.7GB、ブルーレイが 25GB と、入る量が増えていったんだ。

毎日の分はハードディスクやクラウドが多いね。それとは別に、大きな会社やデータセンターでは、意外なものが今も使われているんだよ。それが磁気テープ。

きちんとしまえば何十年ももつし、使わないときは機械から外しておけるから、ネットからの攻撃も届かない。そのかわり、頭から順番に読むから、取り出すのに時間がかかる。毎日使うのではなく、長くしまっておくための入れ物なんだ。

会社の大事なデータは、3-2-1 という考え方で守るといいよ。コピーを 3 つ作って、2 種類の入れ物に分けて、そのうち 1 つは別の建物やクラウドなど、離れた場所に置く。こうしておけば、1 台が壊れても、火事や災害があっても、データを失わずにすむんだ。

開いているアプリやブラウザのタブが増えると、メインメモリという冷蔵庫が、だんだんいっぱいになるね。あふれたら、パソコンは、しばらく使っていない分をストレージに移して、空いた場所を作るんだ。これを仮想メモリというよ。

移した分をまた使うときは、ストレージから取ってきて、代わりに別の分をストレージへ移す。この出し入れが続くと、CPU は待ってばかりになって、動きがもたつくんだ。冷蔵庫に入りきらない食材を、そのたびに倉庫まで取りに行くようなものだね。

そこは分けて考えてね。倉庫の「空き」を増やしても、速さはほとんど変わらない。でも、倉庫を「ハードディスクから SSD に」替えると、取りに行くたびの待ちが短くなるから速くなる。ミナの場合は、冷蔵庫が足りないのに、倉庫を片付けていたんだよ。もちろん、ストレージがほとんど満杯だと、仮想メモリの置き場や、SSD の書き込みの工夫の余地がなくなって遅くなるから、空きは少し残しておこうね。

Windows なら、タスクマネージャーの「パフォーマンス」でメモリを見てみよう。ここで、1 つ気をつけてほしいことがあるんだ。使用率が高いだけなら、悪いことではないんだよ。

今の OS は、空いているメインメモリを、一度読んだファイルの置き場として使っているんだ。もう一度使うとき、ストレージまで取りに行かなくて済むからね。必要になれば、すぐ明け渡してくれる。空いている冷蔵庫を、遊ばせておかないんだよ。

困るのは、メモリが足りなくて、ストレージとの出し入れが続いているとき。メモリがいつも上限近くで、何もしていないのにディスクの動きが多く、アプリの切り替えがもたつくなら、メインメモリが足りていない合図だよ。今の OS は、あふれそうな分を圧縮して冷蔵庫に詰め込む工夫もしているけれど、それでも追いつかないと遅くなるんだ。

大ありだよ。再起動すると、電源が切れるのと同じで、メインメモリの中身が一度まっさらになるんだ。あふれていたものも、閉じ忘れたアプリが抱えていた場所も、全部空く。だから、しばらくは軽くなるんだね。

タスクマネージャーの「プロセス」で、「メモリ」の欄を押すと、たくさん使っている順に並ぶよ。使っていないアプリを閉じて、開きっぱなしのタブを減らしてみよう。保存してから再起動するのも手だね。それでもすぐ重くなるなら、メインメモリそのものが足りていないんだ。

よくあるのは、ブラウザのタブをたくさん開いたまま、オンライン会議をつなぎ、大きな表計算のファイルを開いているとき。どれも、それぞれがメインメモリに場所を取るんだ。仕事で使うパソコンなら、メインメモリは 16GB あると安心だよ。

気をつけたいのは、薄いノートパソコンには、メモリが基板に直接付いていて、あとから増やせない機種が多いこと。ストレージは外付けやクラウドで足せるけれど、メモリはそうはいかない。迷ったら、買うときにメモリのほうを多めにしておくと安心だよ。

同じだよ。スマホは、パソコンよりもっと思い切ったことをするんだ。メモリが足りなくなると、裏で開いたままのアプリを、こっそり閉じてしまうんだよ。

それが、メモリが足りなくて追い出された合図だね。メモリが多いスマホほど、たくさんのアプリを開いたままにしておけて、行き来がなめらかになるんだ。写真や動画をたくさん撮る人はストレージを、アプリをたくさん行き来する人はメモリを、それぞれ大きめに選ぶといいよ。

今日の言葉をまとめるね。

メインメモリは、今使うものを置く冷蔵庫。速いけれど、電源を切ると消える。中身は DRAM で、もれる電気を 1 秒に 16 回ほど書き直しているんだ。

ストレージは、ずっとしまっておく倉庫。SSD は閉じ込めた電子で、ハードディスクは磁石で覚える。消えないけれど、SSD には書き換えの寿命があって、しまいっぱなしにも限りがある。削除しても、すぐには中身が消えていないことも覚えておこうね。

パソコンが重いときに効くのは、メインメモリが足りているかどうか。そして、大事なデータは 3-2-1 で守る。この 2 つを覚えておけば、買うときも使うときも迷わないよ。

そのとおり。消える箱の上にあるうちは、油断しないでね。