SRAMとは

THEME 08 デバイスと回路 · メモリStatic Random Access Memory

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SRAMとは、電源が入っているあいだ、書き直さなくても内容を保ち続ける半導体メモリです。 記憶保持動作（リフレッシュ動作）が不要な随時書き込み読み出しメモリで¹、メモリセルをフリップフロップ回路で構成します。速さと引き換えに、1ビットに6個のトランジスタを使います。セルが大きく単価が高いので、大容量のメモリはDRAMが受け持ち、SRAMはロジックチップの中の内蔵RAMとして使われます。

2つのインバータが互いを支えるので、リフレッシュが要らない

記憶の保ち方

DRAMは漏れる電荷を一定時間ごとに書き込み直して保ち、SRAMは回路が互いの状態を維持し合って保ちます。維持し合うには回路が動いている必要があるため、電源を切ればどちらも消えます。

DRAMは記憶データをコンデンサの電荷として蓄えるため、一定時間が経過すると自然放電によってデータが消えます²。ためた電荷が自然に漏れるので、定期的に読み直して同じ値を書き込み直す必要があり、これがリフレッシュです。SRAMは記憶部にフリップフロップ回路を用いるので、リフレッシュが要りません。記憶部の回路が複雑なため高価ですが、動作はDRAMより高速です。

フリップフロップ回路は、「0」と「1」の値で1ビットの情報を表現し、保持する電気回路です。SRAMセルの中で(0,1)の情報を保持する回路要素は、論理信号を反転するインバータ2つを環状に組んだ構造で³、CMOS式なら合計4つのトランジスタで構成されます。一方の出力がもう一方の入力になるので、いったん決まった0と1の組み合わせを互いに維持し、外から書き直さなくても状態が保たれます。

「Static」は、後から登場したDRAMと区別するための修飾詞

SRAMは、記憶を保持する手段としてフリップフロップを使うRAMの基本形です⁴。記憶保持のためにリフレッシュ動作が必要なDRAM（Dynamic Random Access Memory）が登場したことで、区別するためにStaticという修飾詞が加えられました。先にRAMがあり、後からDRAMが出てきたので名前が付いた、という順序です。

SRAMと呼ぶ条件は、フリップフロップではなくリフレッシュ動作の要否

記憶保持のために内部回路の動作が不要な揮発性RAMを、SRAMと呼べます。フリップフロップは、一般に記憶を保持する手段として使うものです。この条件から考えれば、必ずしもフリップフロップ動作しなくても、トランジスタと受動素子で構成された回路的手段で記憶するデバイスで、リフレッシュ動作が不要ならSRAMと考えられます。条件の核はリフレッシュ動作が不要な点にあり、フリップフロップはその条件を満たす代表的な実装です。

この区別が製品名で問われる例があります。メモリセルがDRAM構造で、リフレッシュ用の補助回路を内蔵した疑似SRAM（Pseudo SRAM）です¹。使う側はリフレッシュの制御を内部の補助回路に任せたまま読み書きしますが、擬似SRAMはリフレッシュが必要なRAMに分類され、SRAMと呼べるのはリフレッシュ動作が不要なものに限ります。名前にSRAMと付いていても、内部でリフレッシュを行う製品は擬似SRAMという呼び方のままです。

1ビットに6個のトランジスタを使うので、大容量はDRAMに任せる

1ビットあたりの部品

CMOS型のSRAMセルはPチャネル2個とNチャネル4個の6個で、2種類のトランジスタの分離も要ります。DRAMセルはトランジスタ1個とキャパシタ1個で済みます。

SRAMが速いのに主記憶がDRAMなのは、面積のためです。CMOS型のメモリセルは、バルクトランジスタ数がPチャネル2個・Nチャネル4個の合計6個で、2種類のトランジスタの分離も必要なため、メモリセルサイズが大きくコストが高くなります⁴。標準的なCMOS式のセルが6つのトランジスタで構成される³のに対し、DRAMのメモリセルはトランジスタ1個とキャパシタ（コンデンサ）1個で構成され、キャパシタに蓄えた電荷の有無で情報を記憶します¹。1ビットあたり6個か、1個と1個かの差が、そのまま容量と単価の差になります。

速さの側に価値がある場所では、SRAMが選ばれます。SRAMは動作タイミングが容易で高速性能も得やすいため、高速を要求するキャッシュメモリや小型電子機器に使われます¹。FPGAでも、プログラムデータはSRAMセルかEPROMに保持されます。

シングルチップマイコンでは、SRAMが内蔵RAMの用途でよく用いられます。高速アクセスが可能ですが、内部構造が複雑であるために高密度な実装が困難で、大容量メモリには不向きです⁵。DRAMは集積化しやすい構造のためSRAMより大容量ですが、高速な論理回路とDRAMを一つのウェーハ上に形成するのが難しく、一般的なシングルチップマイコンはDRAMをチップの外部に搭載し、周辺回路としてつなぐことがほとんどです。マイコンの中がSRAMなのは、速さと、ロジックと同じウェーハ上に一緒に作れることの2つが理由です。

6トランジスタのCMOS型が残ったのは、低電圧で動くから

メモリセル方式と電源電圧

動作特性がNチャネルトランジスタだけで決まる高抵抗負荷型とTFT負荷型は、1.8 V以下では動作が難しくなりました。低電圧で動くCMOS型が、メモリセルとして残りました。

6個のトランジスタを使うCMOS型は、昔から唯一の方式だったわけではありません。1.8 V以下の低電圧では、動作特性がNチャネルトランジスタだけで決まる高抵抗負荷型やTFT負荷型の動作が困難になり、低電圧動作特性の優れたCMOS型がメモリセルとして残りました⁴。面積で不利な6個の構成を選び続けているのは、電源電圧の低下に追随できる方式がこれだったからです。

速さと電力の両立にも上限があります。高速で低消費なSRAMを求められる場合もありますが、極限的な高速特性と低消費電力特性の両方を同時に満たすことはできないのが現実です。

内蔵SRAMは、ロジックチップの面積の半分以上を占める

SRAMは外付けの部品というより、ロジックチップの中に入っているものとして考えるほうが現在の姿に近くなっています。SRAMという言葉はデバイスそのものの名称にも機能の名称にも使われ、前者を単体SRAM、後者を内蔵SRAMまたはエンベディッドSRAM（eSRAM）と呼んで区別します⁴。単体SRAMはマイコンなどから見れば外付けSRAMにあたりますが、最近は外付けSRAMを用いず内蔵SRAMのみで構成する場合が増え、SRAMといえば専ら内蔵SRAMを指すことが多くなりました。

機能の幅もあります。クロックに同期して動く同期式SRAMは、内部動作をクロックで規定できるため回路動作がシンプルで、CPUとの協調動作では自然な選択です。一つのメモリセルに独立した二つの入出力ポートを持つDP-RAMや、サーチデータと記憶データの一致を調べる機能を持つCAMも、SRAMの仲間です。

産総研は2008年に22nm世代を論じた発表で、システムLSIやマイクロプロセッサの50％以上の面積を占めるSRAMでは、最小寸法のトランジスタを多用するための影響を受けやすいとしています³。2010年までの資料では、平均的なSRAMのメモリセルサイズは、デザインルールをFとすると120 F2程度です。

現在のSRAM技術は、メモリの大容量化に対して大きな壁にぶつかっていると考えられています⁴。問題点は、ソフトエラー耐量、低電圧動作、低スタンバイ電流、メモリセルサイズの4点です。

よくある質問（FAQ）

SRAMとは何ですか？

記憶保持動作（リフレッシュ動作）が不要な随時書き込み読み出しメモリです。メモリセルはフリップフロップ回路で構成され、一度書き込んだ情報は電源を切るまで残ります。

電源を切っても残るのですか？

消えます。揮発性メモリは電源を切ると記憶しているデータが消えるメモリで、SRAMとDRAMが代表的です。不要になるのはリフレッシュ動作だけで、電源はSRAMでも要ります。

SRAMと呼ぶ条件はフリップフロップを使うことですか？

条件はリフレッシュ動作の要否です。記憶保持のために内部回路の動作が不要な揮発性RAMをSRAMと呼べるので、フリップフロップ動作以外の回路でも、リフレッシュ動作が不要ならSRAMと考えられます。

なぜStaticと付くのですか？

記憶保持のためにリフレッシュ動作が必要なRAMであるDRAMが登場したので、区別するためにStaticという修飾詞が加えられました。

大容量のメモリでDRAMが選ばれるのはなぜですか？

SRAMは高密度な実装が難しいためです。高速アクセスが可能な一方、内部構造が複雑なので高密度に実装しにくく、大容量メモリには向きません。速さが要るキャッシュメモリなどに使われます。

1ビットに何個のトランジスタが要りますか？

CMOS型メモリセルでは、バルクトランジスタがPチャネル2個とNチャネル4個の合計6個です。2種類のトランジスタの分離も要るため、メモリセルが大きくなり、コストが高くなります。

擬似SRAMもSRAMですか？

擬似SRAMはリフレッシュが必要なRAMに分類され、SRAMと呼べるのはリフレッシュ動作が不要なものに限ります。擬似SRAMのメモリセルはDRAM構造で、リフレッシュ用の補助回路を内蔵しています。

比較・違いを学ぶ

DRAMとは── ためて保つ側
メモリ階層とは── なぜ両方が要るのか

出典

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