無住心言術道場第88回「コンピュータのしくみの全体像の見方としての理解しやすい説明(ハードウェア編3補助記憶装置と呼ばれるSSDとハードディスクの記憶の保持の仕方)」無住心剣術の精神で、 風邪が治っていませんが、スイッチの0と1だけで、どうやってコンピュータの電源を落としてもデータの0と1が保持されるのか判らず懊悩する世界の人達のために、針屋忠道、恐れず、怯まず、突貫します。
まず、ChatGPT Plusさんに校正してもらったバージョンの文章です。
「
では、第86回までに説明した「0と1のスイッチ」と「クロック周波数」を土台に、パソコンでもスマートフォンでも、データセンターのサーバーでもコンピュータが動く仕組みを、CPU(MPU)・メモリ(DRAM)・GPUやTPUまで含めて理解できたと思います。
今回は、補助記憶装置(SSDとHDD)が、どのようにして 0と1で構成されるデータを保存するのかを説明します。
主記憶装置と補助記憶装置
- 主記憶装置:DRAM(ノイマン型コンピュータで広く使われる)
2-1. 補助記憶装置:SSD(PCの保存装置だけでなく、スマートフォンやデジカメなどにも使われる)
2-2. 補助記憶装置:HDD(以前は主流。現在はSSDが主流だが、サーバー用途などで依然広く使われる)
1. 主記憶装置:DRAM
DRAMの1ビットは、一般に**1個のMOSFET(トランジスタ)**と**1個の電荷蓄積容量(キャパシタ)**で構成されます(1T1C構造)。データの0と1は、キャパシタに電荷が ある/ない(または多い/少ない)ことで表現され、MOSFETは読み書きのためのスイッチの役割を担います。ただし電荷は時間とともに少しずつ失われるため、DRAMは定期的に電荷を補充する リフレッシュ動作を行います。
2-1. 補助記憶装置:SSD(フラッシュメモリ)
SSDは、フラッシュメモリに0と1のデータを保存します。フラッシュメモリはトランジスタを基礎にした構造ですが、DRAMのようなキャパシタに短時間だけ電荷を貯めるのではなく、(浮遊ゲート/電荷トラップ層)に電子を閉じ込めることで、電源を切っても情報が残ります。
そのためDRAMのようなリフレッシュ動作は不要です。
フラッシュメモリには主にNOR型 とNAND型 があり、一般にSSDで主流なのはNAND型です。
- NOR型:小容量の読み出しに向き、組込み用途(例:ファームウェア)で使われることが多い
- NAND型:大容量に向き、SSD・USBメモリ・SDカードなどで広く使われる
※NAND型は、内部構造として「ページ」と「ブロック」という単位を持ち、一般に 読み書きはページ単位、消去はブロック単位で行われます。
2-2. 補助記憶装置:HDD
HDDは、円盤(プラッタ)に磁気を使って情報を保存する装置です。
磁気の向き(状態)の違いで0と1を表現し、ヘッドがそれを読み書きします。
まとめ:なぜファイルシステムが必要か
SSDやHDDは、ただ0と1を並べて保存するだけでは、Windows・macOS・LinuxなどのOSが「ファイル」として扱えません。
そこで、ディスクを区切る パーティションと、ファイルの置き場所や名前を管理する ファイルシステム(例:NTFS、APFS、ext4)が必要になります。
」(ここまでが、ChatGPT Plusさんが校正してくれた文章です)
次に私が生成AIのChatGPT Plusさんと相談して理解を深めながら書いた校正前の文章です。
「
では、第86回までに説明した、コンピュータの仕組みの説明で、0と1のスイッチをクロック周波数で制御して、コンピュータはパソコンでもスマートフォンでも、データセンターのサーバーでも動いている事は、CPU(MPU)、メモリ、(DRAM)、GPUやTPUでも理解できたと思います。
今回は、補助記憶装置と、正式には呼ばれる、SSDとハードディスクに、どうやって0と1で構成される二進数のデータを記憶を保持するのか。 この説明を行います。
まず主記憶装置と補助記憶装置を分類します。
1、主記憶装置。DRAM。全てのノイマン型のアーキテクチャのコンピュータに使われている。
2-1、補助記憶装置。SSD。パソコンのデータの保存、マザーボード上のBIOSだけでなくスマートフォンやデジカメなどでも使われている。
2-2、補助記憶装置ハードディスク(HDD)。昔は主流で、現在はSSDに置き換わっていたが。データセンターなどのサーバー用途では世界的な半導体不足で見直されている傾向が見られる。
では説明を開始しましょう。
1、主記憶装置。DRAMでは、前回の0と1の2進数で表現されるDRAMの説明を行います。
DRAMは一個のMOSFET(Metal Oxide Semiconductorトランジェスタ) と一個の電荷蓄積容量からからなる。1ビットの0と1の2進数で表現されるスイッチを1個のトランジスタであるMOSEFT (で表現します。
DRAMの0と1の2進数のスイッチとして表現される、1ビットは、電荷蓄積容量(キャパシタ) + スイッチのトランジスタから成り立ちます。
0と1で表現される2進数は、電荷蓄積容量(キャパシタ)に保持され、トランジスタが0と1を切り替える役割を担っています。
DRAMが定期的にリフレッシュ動作と呼ばれる、電気を通電させる必要がある理由は、スイッチの状態を保持する目的には、電荷蓄積容量が時間と共に減少する理由から定期的な電子の補充のリフレッシュ動作が必要だからです。 (生成AIのChatGPT Plusさんと、相談を重ね理解を深めている)
2-1、補助記憶装置。SSD。
SSDはフラッシュメモリと呼ばれる半導体に0と1の2進数で表現されるデータを保存します。
半導体の構造上はMOSFETと呼ばれる、電荷蓄積容量(キャパシタ) + スイッチのトランジスタから成るDRAMに似ていますが。フラッシュメモリでは浮遊ゲートが追加されています。この結果、浮遊ゲートは半永久的に電荷を保持する理由から、SSDでは、フラッシュメモリにリフレッシュ動作と呼ばれる、電荷蓄積容量が減少するために行う電荷の補充の動作が必要ありません。
フラッシュメモリの0と1の2進数のスイッチとして表現される、1ビットは、浮遊ゲート + スイッチのトランジェスタから成り立ちます。浮遊ゲートに電子を閉じ込めて、0と1の2進数を表現します。
フラッシュメモリにはNAND型とNOR型が在ります。
1、NOR型フラッシュメモリ。1バイト単位で読み書きをする。NOR型はNAND型よりも読み書きのスピードは遅いが、読み書き可能な回数は多い。
2、NAND型フラッシュメモリ。NAND型フラッシュメモリは、内部的に「ブロック」と呼ばれる数百KB〜数MBの単位でデータを消去します(この部分はChatGPT Plusさんに教わっている)。NAND型はNOR型よりも読み書きのスピードは速いが、読み書き可能な回数は少ない。
フラッシュメモリは電力の消費が少なく、耐震、耐衝撃、小型、などの利点が在ります。 (この部分は、ChatGPT Plusさんと相談して理解を深めている)
2-2、補助記憶装置。HDD。
HDDはハードディスク・ドライブと呼ばれる、磁石を用いた、補助記憶装置です。磁石にはプラスとマイナスが在ります。この磁石のプラスとマイナスで0と1の2進数を表現します。そして、円盤状のプラッタ上に、レコード盤のように磁石が配置されています。ヘッドと呼ばれる装置で、磁石のプラスとマイナスを高速で読み書きします。
SSDやHDDでは、そのままでは、WindowsやMac OS、Linux、などのオペレーティングシステムでは認識できない理由からデータの置き場所を管理するファイルシステムが必要になります。」
ここまでが私が書いた文章。ChatGPT Plusさんから校正を受けている。
では、今日は、このあたりで筆を置きましょう。
この「無住心言術道場第○○○回」の文章は全て、クリエイティブ・コモンズ・ライセンスのCC BY です。「CC BYの条件:原著作者の表示(BY)を条件に、作品の利用、改変、商用利用が許可」。原著者:針屋忠道、Copilot,ChatGPT。CC BYから、ホームページからコピー・アンド・ペーストを行って生成AIを用いての翻訳および保存は自由に許可されます。CC BYから、ホームページからコピー・アンド・ペーストを行って生成AIを用いての翻訳および保存は自由に許可されます。




















































































