３分でわかる DRAMの構造と仕組み、動作原理
今回はメモリICの種類のうち、経済ニュースにもよく取り上げられる「DRAM」を解説します。
DRAMは、コンピュータのメインメモリ等によく使用されています。高速でデータの読み書きが行えるため、オペレーティングシステムやアプリケーションが動作するために必要なデータやコードを格納するのに適しています。また、携帯電話やデジタルカメラなどの組み込みシステムでは、データを一時的に格納するために使用されています。
身近なところで幅広く活用されているDRAMについて、基本的な知識から確認していきましょう。
１．《前提知識》半導体メモリの分類について
図1に半導体メモリの分類を示します。
半導体メモリは、大きく分けると、揮発性メモリと不揮発性メモリに分けられます。
揮発性メモリは“RAM”と呼ばれ、電源の供給がなくなると記憶内容が失われてしまいます。
DRAMは、この揮発性メモリの一種です。
一方、不揮発性メモリは“ROM”と呼ばれて、電源を供給しなくても記憶内容が保持されます。
【図1 半導体メモリの分類】
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２．DRAMとは
「DRAM」とは”Dynamic Random Access Memory“の略で、半導体メモリの一種です。
半導体メモリにはDRAMの他にSRAM（Static Random Access Memory）があります。
DRAMはSRAMに比べ記憶容量が大きいですが、アクセススピードはSRAMに比べ遅いのが特徴です。
DRAMの仕組み
DRAMは、トランジスタとコンデンサを1個ずつ利用してデータを記録する仕組みを用いています。
コンデンサは電荷（電気）を溜める作用を持っているため、コンデンサに電気を流すことで「電圧の高い状態＝1、低い状態＝0」として表しながらデータを記録します。このとき、コンデンサに電気を流すスイッチの役割を果たすのがトランジスタです。
しかし、コンデンサは、時間とともに電荷が漏れてしまいます。電荷が漏れると電圧が変動してしまうため、データの読み込みも正確に行われなくなります。パソコンの電源を切ると、メインメモリのデータが消えてしまうのはこのためです。
そこでDRAMでは、動作している間は定期的にデータの書き直し（リフレッシュ）を行うことで、電荷が漏れることによるデータ消失を防いでいます。
ランダム・アクセス・メモリ（Random Access Memory）の「ランダム・アクセス」とは、データを順番に取り出すこと（シーケンシャル・アクセス）が出来ないが、アドレスを指定すればデータを自由に取り出すことができるという意味です。
３．DRAMの基本構造
ここからは、DRAMのデバイス基本構造を見ていきましょう。
【図2 DRAMのデバイス基本構造】
図2に、DRAMの最も簡単な構成を示します。
DRAMのメモリセル（0/1を記憶する最小単位）は「1個のトランジスタ（MOSFET）と1個のコンデンサ（キャパシタ）」から構成されています。トランジスタのドレインにコンデンサが接続されています。
トランジスタのゲートはワード線に接続され、ワード線の電位でトランジスタのON/OFFを制御しています。
また、トランジスタのソースはビット線に接続され、ビット線の電位によりコンデンサの充放電を制御しています。
コンデンサに電荷が蓄えられている状態を「1」、溜まっていない状態を「0」としてデータを記録しています。
４．DRAMの動作原理
図3と図4で、DRAMの動作原理を示します。
書き込み動作
【図3 DRAMの動作原理（1）】
図3（ａ）、（ｂ）により、DRAMの書き込みの説明をします。
- 1の書き込み
図３（ａ）において、ワード線の電圧を上げた状態で、ビット線の電圧を上げます。
⇒トランジスタがONとなり、コンデンサが充電されます。 - 0の書き込み
図３（ｂ）において、ワード線の電圧を上げた状態で、ビット線の電圧を0にします。
⇒トランジスタがONとなり、コンデンサがビット線に放電して電荷が抜けます。
トランジスタONの状態でビット線の電圧を調整し、コンデンサを充放電することで書き込みを行います。
読み込み動作
【図4 DRAMの動作原理2】
図4（ａ）、（ｂ）により、読み出しの説明をします。
- 1の読み出し
図4（ａ）において、ワード線の電圧を上げ、トランジスタをONさせます。
⇒ビット線の電位が瞬間的に上昇します。（１が読み出されます） - 0の読み出し
図4（ｂ）において、ワード線の電圧を上げ、トランジスタをONさせます。
⇒コンデンサの電位は０なので、ビット線の電位は変化しません。
トランジスタをONとし、ビット線の電位変化を検出することで、メモリセルの０、１を読み取ります。
５．DRAMの規格について
DRAMはデータ転送速度の違いなどによって、複数の規格に分かれています。
DRAMを改良した「SDRAM（Synchronous DRAM）」や、「SDRAM」をさらに改良して処理を高速化した「DDR SDRAM」、「DDR2 SDRAM」～「DDR５SDRAM」など数多くの規格があります。
SDRAMは同期式のメモリで、クロックに同期して動作します。
クロックの同期方法としてSDR（Single Data Rate）とDDR（Double Data Rate）があり、SDRはクロック1サイクルに対しデータを1つ、DDRはクロック1サイクルに対しデータを2つ転送できます。
具体的には、SDRはクロックの立ち上がりエッジにのみ同期しますが、DDRではクロックの立ち上がりエッジと立ち下がりエッジの両方に同期してデータ転送をおこなうことで、クロック周波数の2倍の速度でデータ転送することが可能となります。
以上説明してきましたが、DRAMは、コンピュータをはじめとする様々な製品用途に使われており、無くてはならないICとなっています。
次回は、 SRAMの構造と動作原理、DRAMとの違いについて解説します。
（日本アイアール株式会社 特許調査部 E・N)
