不揮発性メモリとは何か？データを長期保存できる理由は？

この記事で分かること

不揮発性メモリ

　半導体チップは、「産業のコメ」と呼ばれるほど現代社会の基盤となっています。AIの普及やデジタル化の加速などのもあり、AIそのますます重要性が増しています。

　ただ、一口に半導体チップといっても、その中には様々な種類が存在します。今回は半導体チップにはどのような種類があるのかの記事となります。

　今回は、不揮発性メモリに関する記事となります。

不揮発性メモリとは何か

　不揮発性メモリ（Non-Volatile Memory：NVM）とは、簡単に言うと「電源を切っても中身が消えないメモリ」のことです。

　身近な例でいうと、スマートフォンの写真保存領域や、パソコンのストレージ（SSD）、USBメモリなどがこれにあたります。

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1. 揮発性メモリとの違い

　コンピュータのメモリは、大きく分けて「不揮発性」と「揮発性（きはつせい）」の2種類があります。

特徴	不揮発性メモリ	揮発性メモリ
電源OFF時のデータ	消えない（保持される）	消える
主な役割	データの長期保存（記録）	作業中の一時保存（計算）
速度	比較的遅い	非常に高速
代表例	SSD、SDカード、ROM	RAM（DRAM、SRAM）

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2. 主な不揮発性メモリの種類

用途や仕組みによって、いくつかの種類に分類されます。

① フラッシュメモリ

　現在最も普及しているタイプです。データの書き換えが可能で、大容量化が進んでいます。

• 用途: SSD、USBメモリ、SDカード、スマートフォンの内蔵ストレージ。

② ROM（Read Only Memory）

基本的には「読み出し専用」のメモリです。機器を起動するためのプログラム（BIOSなど）が保存されています。

• 用途: 家電の制御プログラム、PCの起動用チップ。

③ 次世代メモリ（EEPROM、MRAM、FeRAMなど）

　フラッシュメモリよりも「書き換え速度が速い」「寿命が長い」といった特徴を持つ新しいメモリです。

• 用途: 産業用ロボット、自動車の制御ユニット、ウェアラブルデバイス。

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3. なぜ使い分けるのか？

　「消えないなら全部不揮発性メモリでいいのでは？」と思うかもしれませんが、それぞれにメリット・デメリットがあるため、組み合わせて使われています。

• 不揮発性メモリ（SSDなど）: 容量が大きく安価ですが、読み書きのスピードが遅いため、「倉庫」として使われます。
• 揮発性メモリ（RAMなど）: 容量は小さく高価ですが、非常に高速なため、CPUがすぐに処理を行うための「作業机」として使われます。

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なぜデータを長期保存できるのか

　不揮発性メモリがデータを長期保存できる理由は、「物理的な仕切り」でデータを閉じ込めているからです。現在主流のフラッシュメモリ（SSDやUSBメモリ）を例に、その仕組みを簡潔に解説します。

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1. 「電子の鳥かご」に閉じ込める

　メモリの内部には、データを蓄えるための小さな「箱（セル）」が無数に並んでいます。この箱の中には、浮遊ゲート（フローティングゲート）と呼ばれる、周囲を強力な絶縁体で囲まれた特別な場所があります。

• 書き込み時: 高い電圧をかけて、無理やり電子をこの「絶縁体の壁」を越えさせて箱の中に入れます。
• 保存時: 一度入った電子は、周囲が絶縁体（電気を通さない素材）で囲まれているため、電源を切っても外に逃げ出すことができません。

　この「電子が入っているか・いないか」を 0 と 1 のデジタルデータとして識別しています。

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2. 他のメモリとの「閉じ込め方」の違い

　不揮発性メモリには、フラッシュメモリ以外にも様々な保存方法があります。

• 磁気（HDD）: N極とS極の向きで記録。磁石の力が消えない限りデータは残ります。
• 物理的な凸凹（CD/DVD）: 盤面にレーザーで小さな穴を開けて記録。物理的な形を変えているので消えません。
• 電気抵抗（MRAMなど）: 磁気の向きによって「電気の通りやすさ」を変える次世代技術。電子を閉じ込めるよりさらに高速・高耐久です。

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補足：完全に「永久」ではない

　電子を閉じ込めている絶縁体も、10年、20年という長い年月が経つと、少しずつ電子が漏れ出してしまうことがあります。そのため、「全く通電せずに放置」し続けると、稀にデータが消える可能性がある点には注意が必要です。

データの読み込みに時間がかかる理由は何か

　不揮発性メモリ（SSDなど）が揮発性メモリ（RAM）に比べて読み込みに時間がかかる理由は、主に「データの取り出し方」と「構造的な複雑さ」にあります。

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1. 「電子の有無」を判定するプロセスの違い

　揮発性メモリ（RAM）は、電気が通っている状態で直接データにアクセスするため非常に高速です。一方、不揮発性メモリ（フラッシュメモリ）は以下の手順を踏みます。

• RAM: スイッチをオンオフするように瞬時にデータを確認できます。
• NVM: 絶縁体に囲まれた場所に電子が「閉じ込められているか」を確認するために、特定の電圧をかけて電流の変化を慎重に測定する必要があります。この物理的な判定プロセスにわずかな時間がかかります。

2. データの「住所」を探す手間

　RAMはデータがどこにあるか直接指定して読み取れる「バイト単位」のアクセスが得意です。しかし、不揮発性メモリは効率よく大量のデータを保存するために「ブロック」や「ページ」という大きなまとまりで管理されています。

• 必要なデータが1バイトだけでも、OSは数キロバイトの「ページ」ごと読み込む必要があり、これがオーバーヘッド（余分な時間）となります。

3. CPUからの「距離」と「通信路」

　物理的な配置も影響しています。

• RAM: CPUのすぐ隣に配置され、専用の超高速な通り道（メモリバス）で直結されています。
• NVM: ストレージとしてマザーボードの少し離れた場所にあり、SATAやNVMeといった通信規格（インターフェース）を経由してデータをやり取りするため、転送の待ち時間が発生します。

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4. エラー訂正（ECC）の処理

　不揮発性メモリは、長期保存の過程で電子が微量に漏れるなどのエラーが起きる可能性があります。そのため、読み込むたびに「データが化けていないか」を計算してチェック・修正する工程が入るため、その分時間が上乗せされます。