ITパスポート 2009年 春期 問69

キャッシュメモリの利用目的【ITパスポート 解説】

正解の理由

解法ステップ

1. 問題文の鍵は「プロセッサ内にあるキャッシュメモリ」と「利用目的」です。
2. 「プロセッサ内にある」＝CPUに近く、速度向上に関係するはずだと想像する。
3. 各選択肢を当てはめる：
   • 電源が切れても保持する（ア）は「永続保存・不揮発性」の話。キャッシュは揮発性なので合わない。
   • 書き換え不要な情報を記録（イ）はROMなどの話。キャッシュは頻繁に書き換わる。
   • 利用者IDやパスワードを保存（エ）は安全な鍵保管（TPMなど）の話。
4. 以上より、アクセス時間を短縮してCPU効率を上げる目的の ウ を選ぶ。

選択肢別の誤答解説

• ア: 「PCへの電力供給が切れた状態でも記憶内容を保持する。」
  • これは不揮発性メモリ（例：ROM、フラッシュメモリ、SSD）の特徴です。キャッシュは揮発性で、電源が切れると内容は消えます。例外的にバッテリで保持する特殊なメモリもありますが、一般的なCPU内キャッシュは該当しません。
• イ: 「書き換える必要のない情報や、書き換えられては困る情報を記録する。」
  • これは読み出し専用メモリ（ROM：Read Only Memory：読み出し専用）やファームウェアの用途に当たります。キャッシュは頻繁に読み書きされるため「書き換えられては困る」ものを置く場所ではありません。
• ウ: 「主記憶とのアクセス時間を見かけ上短縮することによって、CPUの処理効率を高める。」
  • 正しい。キャッシュは高速で小容量。よく使うデータを置き、アクセス時間（レイテンシ）を下げてCPUの待ち時間を減らします。
• エ: 「利用者IDやパスワードなどの重要情報や機密情報を記録する。」
  • 機密情報は専用の安全領域に格納します（例：TPM（Trusted Platform Module：信頼できるプラットフォームモジュール）やセキュアエンクレーブ）。キャッシュは暗号的保護や長期保存の目的で設計されていません。

よくある誤解

1. 「キャッシュはデータの保存庫（バックアップ）である」
   • キャッシュは高速化のために一時的にデータを置くだけで、バックアップや永続保存の用途ではありません。
2. 「キャッシュは大容量で何でも入れられる」
   • キャッシュは速度重視で容量は小さいです。大きなデータは主記憶やディスクに置かれます。
3. 「キャッシュに重要情報（パスワード）を置けば安全」
   • キャッシュは暗号化やアクセス制御が主目的ではないため、機密情報の保管は専用の安全機構を使います。

補足コラム

• キャッシュには階層があります。一般的にCPU内部にあるL1（レベル1）は最も高速で最小容量、次にL2、L3と容量は増えて速度は下がります。
• 性能を表す指標にヒット率（cache hit rate：キャッシュに目的のデータがある割合）があります。ヒット率が高いほど効果が大きいです。
• 単純な式で効果を表すと、平均アクセス時間（EAT）は次のようになります： $$EAT=h\times t_c+(1-h)\times t_m$$ ここで $h$ はヒット率、$t_c$ はキャッシュアクセス時間、$t_m$ は主記憶アクセス時間です。ヒット率を上げることと $t_c$ を小さくすることが重要です。
• 例え話：台所で料理をする場面を想像してください。材料をすぐ取れる「作業台（キャッシュ）」に置いておけば調理が速く進みます。材料倉庫（主記憶）はたくさんあるが遠いので、そこへ行く回数が増えると時間がかかります。

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