【ITパスポート練習問題 6.3対応】(3) 記憶階層

【解説】

正解: 2 データの高速アクセス

この問題は、コンピュータの記憶階層におけるキャッシュメモリの役割と、CPUと主記憶装置の速度差を埋める仕組みについての理解を問うものです。

正解は2の「データの高速アクセス」です。CPUの処理速度は非常に高速ですが、主記憶装置（メインメモリ）の読み書き速度はそれに比べて遅いため、そのままではCPUの待ち時間が発生してしまいます。そこで、頻繁に使用するデータをより高速な「キャッシュメモリ」に一時的に保存しておくことで、CPUがデータを読み込む時間を短縮し、システム全体の処理効率を向上させます。

選択肢1の「データの長期保存」は、ハードディスクやSSDなどの補助記憶装置の役割です。キャッシュメモリは電源を切るとデータが消える揮発性メモリであるため、長期保存には適しません。選択肢3の「バックアップの作成」も同様に、補助記憶装置や外部メディアの役割です。

【解説】

正解: 1 コストの削減

この問題は、キャッシュメモリがL1、L2、L3といった多層構造（階層構造）になっている技術的な理由と、性能向上の仕組みに関する理解を確認するものです。

キャッシュメモリを多層化する主な目的は、CPUの処理速度に合わせて「データアクセス速度を最適化すること（2）」と、限られたリソースの中で「効率的にデータを格納すること（3）」です。最も高速ですが容量が小さいL1キャッシュ、それより少し遅いですが容量が大きいL2、L3キャッシュを組み合わせることで、コストと性能のバランスを取りながら全体的な処理能力を最大化しています。

一方で、選択肢1の「コストの削減」は、多層構造にする直接的な理由としては不適切です。キャッシュメモリに使用されるSRAMという半導体は非常に高価であり、多層化して搭載量を増やすことは、むしろ製造コストの上昇要因となります。したがって、これを「多層構造にする理由」とするのは誤りであり、正解となります。

【解説】

正解: 3 キャッシュメモリよりも大容量

この問題は、記憶装置の階層構造において、主記憶装置（メインメモリ）とキャッシュメモリの性能差（速度、容量、価格）を正しく比較できるかを確認するものです。

正解は3の「キャッシュメモリよりも大容量」です。コンピュータの記憶装置はピラミッド型の階層構造になっており、CPUに近いほど高速ですが容量が小さく、遠いほど低速ですが容量が大きくなる傾向があります。主記憶装置はキャッシュメモリに比べてアクセス速度は劣りますが、一度に多くのデータを扱えるよう、はるかに大きな容量を持っています。

選択肢1の「キャッシュメモリよりも高速」は誤りです。主記憶装置はキャッシュメモリよりも低速です。選択肢2の「キャッシュメモリよりも高価」も誤りです。容量あたりの単価（ビット単価）は、高速なキャッシュメモリの方が主記憶装置よりも高価です。

【解説】

正解: 2 CPUが直接アクセスできる

この問題は、主記憶装置（メインメモリ）の基本的な機能と、コンピュータアーキテクチャにおける位置づけを理解しているかを問うものです。

正解は2の「CPUが直接アクセスできる」です。プログラムを実行する際、必要なデータや命令は補助記憶装置から主記憶装置に読み込まれ、CPUはそこから直接データを取得して処理を行います。この「CPUと直接データのやり取りを行う」点が主記憶の大きな特徴です。

選択肢1の「長期間データを保持できる」は誤りです。主記憶は通常、電源を切ると内容が消えてしまう揮発性のメモリが使われます。選択肢3の「一度保存したデータが消えない」も同様の理由で誤りであり、これらはHDDやSSDなどの補助記憶装置の特徴です。

【解説】

正解: 1 DRAM

この問題は、主記憶装置に使用される代表的なハードウェア技術（メモリの種類）についての知識を確認するものです。

正解は1の「DRAM」です。DRAM（Dynamic Random Access Memory）は、安価で大容量化しやすいため、PCやスマートフォンの主記憶装置として広く採用されています。ただし、揮発性であるため、通電が止まるとデータは消失します。

選択肢2の「ROM」はRead Only Memoryの略で、主に書き換えの必要がないファームウェアなどの保存に使われる不揮発性メモリです。選択肢3の「SSD」はフラッシュメモリを使用した補助記憶装置であり、主記憶装置とは役割が異なります。

【解説】

正解: 3 主記憶よりも容量が大きい

この問題は、キャッシュメモリの特性について、主記憶装置との比較を通して正しく理解しているか、特に「速度と容量のトレードオフ」を把握しているかを問うものです。

キャッシュメモリは、CPUと主記憶の間に配置され、両者の速度差を埋めるために使われます。そのため「主記憶よりも高速（1）」であり、「CPUに近い位置に配置される（2）」という特徴があります。

しかし、キャッシュメモリに使用されるSRAMは、主記憶に使われるDRAMに比べて回路が複雑で高価なため、大容量化が困難です。そのため、一般的にキャッシュメモリは主記憶よりも容量がはるかに小さくなります。したがって、選択肢3の「主記憶よりも容量が大きい」という記述は誤りであり、この問題の正解となります。

【解説】

正解: 2 電源を切ってもデータが消えない

この問題は、補助記憶装置（ストレージ）の最も重要な特性である「不揮発性」について理解しているかを確認するものです。

正解は2の「電源を切ってもデータが消えない」です。補助記憶装置は、OS、アプリケーション、ドキュメントファイルなどを長期的に保存しておく場所です。そのため、パソコンの電源をオフにしてもデータが保持される性質（不揮発性）を持っています。

選択肢1の「高速でデータにアクセスできる」は誤りです。主記憶やキャッシュメモリと比較すると、補助記憶装置のアクセス速度は非常に遅いです。選択肢3の「主記憶よりも小容量である」も誤りです。一般的に補助記憶装置は、主記憶の数十倍から数千倍の大容量を持っています。

【解説】

正解: 2 DRAM

この問題は、代表的な記憶装置の名称と、それが「主記憶」か「補助記憶」のどちらに分類されるかを区別できるかを問うものです。

正解は2の「DRAM」です。DRAMは主記憶装置（メインメモリ）として使用される揮発性メモリであり、データを長期保存する補助記憶装置ではありません。

選択肢1の「SSD」と選択肢3の「HDD」は、どちらも電源を切ってもデータが残る不揮発性の装置であり、補助記憶装置の代表例です。したがって、これらは補助記憶装置として適切です。

【解説】

正解: 2 補助記憶装置よりも高速

この問題は、コンピュータの記憶階層の両端にある「キャッシュメモリ（最上位）」と「補助記憶装置（最下位）」の性能差を比較し、その特徴を理解しているかを確認するものです。

正解は2の「補助記憶装置よりも高速」です。キャッシュメモリはCPUの演算速度に近い超高速な動作をしますが、補助記憶装置（SSDやHDD）はそれに比べて非常に低速です。この速度差は数桁（数千倍〜数百万倍）の違いになることもあります。

選択肢1の「補助記憶装置よりも大容量」は誤りです。キャッシュメモリは数MB程度ですが、補助記憶装置は数TBもの容量を持つことができます。選択肢3の「補助記憶装置よりも長期間データを保存可能」も誤りです。キャッシュメモリは電源を切るとデータが消えるため、長期保存には使用できません。