電源を切っても消えず、DRAMより速い。次のメモリ争いが始まった

メモリには「速いが消える」と「遅いが消えない」という、なかなか両立しない2つの性質があります。その間を埋める新しいメモリの開発が、長年続いています。メモリの基礎は「AIの性能を決めていたのは、GPUより「メモリ」だった」で確認しつつ、3つの新方式を見ていきます。

なぜ次世代メモリが必要なのか

次世代メモリが求められるのは、現在の主役であるDRAMとNANDが、それぞれ弱点を抱えているためです。

DRAMは高速で、コンピュータの作業机の役割を担いますが、電源を切るとデータが消える「揮発性」メモリです。しかも微細化が物理的な限界に近づき、これ以上の大容量化が難しくなっています。一方、NAND型フラッシュは電源を切っても消えない「不揮発性」ですが、読み書きがDRAMより桁違いに遅いという弱点があります。

この「速いが消える」と「消えないが遅い」のすきまを埋め、両方の良さを併せ持つメモリ——それが次世代不揮発メモリの狙いです。DRAMほど速く、NANDのように消えない記憶があれば、コンピュータの構造そのものが変わります。たとえば電源を入れた瞬間にすぐ使える、消費電力の小さい機器が当たり前になります。さらに、AIの普及で扱うデータ量が爆発的に増えるなか、この“中間のメモリ”への期待は年々高まっています。

ReRAM（抵抗変化メモリ）とはどんな仕組みか

ReRAMとは、材料に電圧をかけて電気の通りやすさ（抵抗）を変化させ、その抵抗の高い・低いでデータの0と1を記録するメモリです。

仕組みは比較的単純です。2つの電極で薄い金属酸化物をはさみ、電圧をかけると内部に電気の通り道（フィラメント）ができたり消えたりします。この通り道の有無で抵抗が変わり、それを読み取ります。構造が単純なため微細化しやすく、低消費電力で高速、という長所があります。次世代メモリの有力候補の一つです。

PCMとFeRAMはどう違うのか

残る2方式、PCMとFeRAMは、データの記録に使う物理現象が異なります。

PCM（相変化メモリ）は、特殊な材料を熱で「結晶状態」と「アモルファス状態（バラバラの状態）」に切り替え、その抵抗の差でデータを記録します。書き換えが速く、Intelが「Optane」という製品で実用化しました。

一方、FeRAM（強誘電体メモリ）は、強誘電体という材料の中で電気の向きを反転させてデータを記録します。書き換えが非常に速く、書き換え可能な回数（寿命）が桁違いに長いのが特徴です。

3方式の違いを整理すると、次のようになります。

（出典：調査各社）

なお、電子の磁気（スピン）を使うMRAMも同じ次世代不揮発メモリの仲間です。その仕組みは「電子の“自転”を使う半導体が、電源を切っても記憶を保つ」で詳しく扱っています。

次世代メモリはDRAMやNANDを置き換えるのか

結論から言えば、完全な置き換えは当面起きません。最大の理由はコストです。

DRAMとNANDは数十年の改良で、ビットあたりの単価を極限まで下げてきました。新方式がいくら高性能でも、この安さと、すでに普及した製造・設計のエコシステムに追いつくのは容易ではありません。実際、Intelの相変化メモリ「Optane」は高性能でしたが、コストで普及せず2022年に事業終了しました（Intel）。

そのため当面は、DRAMとNANDの中間を埋める「ストレージクラスメモリ」や、IoT・車載・マイコン組込みといった、コストより低消費電力や信頼性が効く特定用途で実用化が進む見込みです。半導体そのものの基礎は「半導体とは何か」で確認できます。

この記事のまとめ

• 次世代不揮発メモリは、「速いが消えるDRAM」と「消えないが遅いNAND」のすきまを埋めるのが狙い。
• ReRAMは抵抗変化、PCMは結晶／アモルファスの状態変化、FeRAMは強誘電体の分極でデータを記録する。
• 3方式は高速・低消費電力・長寿命など強みが異なり、用途で使い分けが進む。
• DRAM・NANDはコストが圧倒的に安く、全面的な置き換えは難しい（Optaneは2022年に終了）。
• 当面はストレージクラスメモリやIoT・車載など特定用途で実用化が進む。