SRAM・DRAM・NOR・NAND・EEPROM・FRAM・MRAM・eMMC：メモリの違いと使い分け

まず 3 つに分ける

メモリは、電源を切ると消える揮発性（SRAM、DRAM）、電源を切っても残るがブロック単位でしか消せないフラッシュ系（NOR、NAND、EEPROM、eMMC）、電源を切っても残りバイト単位で書ける新しい不揮発メモリ（FRAM、MRAM）の 3 群に分けると見通しがよくなります。

SDRAM は DRAM の一種（同期式）、DDR はさらにその世代名です。eMMC は NAND にコントローラを載せて 1 パッケージにしたもので、中身は NAND です。「FLASH」は NOR と NAND の総称で、EEPROM もフローティングゲートという意味では同じ原理ですが、バイト単位で書けるように作ったものを EEPROM と呼び分けます。

揮発性：SRAM と DRAM

SRAM は 1 ビットにトランジスタ 6 個を使うフリップフロップです。電源がある限り保持し、リフレッシュが要らず、アドレスを与えれば数 ns で読み書きできます。セルが大きいので容量あたりの価格が高く、マイコン内蔵で数十〜数百 kB、外付けのパラレル SRAM で数 MB が上限です。

DRAM は 1 ビットがトランジスタ 1 個とコンデンサ 1 個です。コンデンサの電荷は漏れるので、数十 ms ごとに読み出して書き戻す（リフレッシュ）必要があります。セルが小さく、GB 単位が安く手に入ります。SDRAM はクロックに同期してバースト転送する DRAM で、DDR / DDR2 / 3 / 4 / 5 とその低電力版 LPDDR がその世代です。

DRAM を使うには、リフレッシュ・バンク管理・タイミング制御を行うメモリコントローラがプロセッサ側に要ります。コントローラを持たないマイコンには DRAM はつなげません。逆に、Linux を動かすプロセッサには必ず DDR コントローラがあり、数百 MB 以上の主記憶として DRAM を前提にしています。

選択の基準は単純で、数 MB 以下なら SRAM、それ以上なら DRAMです。中間の「数 MB の SRAM が欲しい」は価格が合わず、QSPI 接続の疑似 SRAM（PSRAM、内部は DRAM でリフレッシュを内蔵）が使われます。

フラッシュ系：NOR、NAND、EEPROM、eMMC

フラッシュはフローティングゲートに電子を閉じ込めて記憶します。書き込み（電子を入れる）はビット単位でできますが、消去（電子を抜く）はまとまった単位でしか行えません。「1 を 0 にはできるが、0 を 1 に戻すには消去が要る」と覚えると、ほぼすべての制約が説明できます。

NOR フラッシュは、セルが並列につながっていて、任意のアドレスをランダムに読めます。プロセッサが直接命令を読み出す（XIP、Execute In Place）ことができるので、起動コードやファームウェアの置き場です。SPI / QSPI 接続の 1〜256MB が主流。消去はセクタ単位（4kB〜64kB）で数百 ms かかり、書き換え回数は 10 万回程度です。

NAND フラッシュは、セルを直列につないで面積を詰めたもので、ページ（数 kB）単位でしか読み書きできず、消去はブロック（数百 kB〜数 MB）単位です。ビットエラーが日常的に起き、ECC（誤り訂正）と不良ブロック管理が必須です。SLC（1 ビット/セル）で 10 万回、MLC で 1 万回、TLC で 3 千回、QLC で 1 千回と、多値化するほど安く、書き換えに弱くなります。

eMMC は NAND にコントローラを載せて、ECC・ウェアレベリング・不良ブロック管理を内部で済ませたものです。外からは 512B セクタの読み書きだけで、SD カードと同じ MMC インターフェースでつなぎます。Linux のルートファイルシステムを置く標準的な選択肢で、生の NAND を扱う手間（Linux なら MTD + UBI）を省けます。

EEPROM は、バイト単位で消去・書き込みできるように作った不揮発メモリです。容量は小さく（数 kbit〜数 Mbit）、書き込みに 5ms 程度かかりますが、100 万回書け、I²C / SPI で数十円からあります。設定値・校正値・シリアル番号の置き場です。

「フラッシュに設定値を保存する」設計は、消去単位と回数の制約にぶつかります。4kB セクタに 16 バイトの設定を書き換えるたびに消去すると、10 万回で寿命です。ウェアレベリング（セクタ内で書く位置をずらす）を自分で実装するか、EEPROM か FRAM を別に持つほうが確実です。

FRAM と MRAM：バイト単位で書ける不揮発

FRAM（強誘電体メモリ）は、強誘電体の分極方向で記憶します。SRAM と同じようにバイト単位で、待ち時間なしで書け（書き込みサイクル数十 ns）、10¹⁴ 回書き換えられます。EEPROM の 5ms の書き込み待ちがなく、書き込み中に電源が落ちてもデータが壊れません。容量は 16Mbit 程度までで、EEPROM より高価です。読み出しで分極が壊れるので内部で書き戻しており、読み出し回数にも上限がありますが、10¹⁴ 回なので実用上は無制限です。

MRAM（磁気抵抗メモリ）は、磁性層の磁化方向で記憶します。書き換え回数は事実上無制限で、SRAM と同じ速度・インターフェースの品種があり、電池でバックアップした SRAM の置き換えとして使われます。STT-MRAM で 1Gbit 級まで出ていますが、価格は DRAM の数十倍です。強い磁界に弱い品種があるので、実装位置に注意します。

どちらも、「頻繁に書く、電源断があり得る、容量は小さくてよい」という用途に向きます。積算値、稼働時間、直近のイベントログ、電源断時の状態保存などです。フラッシュで同じことをするには、ウェアレベリングと電源断対策のジャーナリングが要り、それを作るより FRAM を 1 個足すほうが安く済むことがほとんどです。

用途から選ぶ

• 起動コード・ファームウェア。マイコン内蔵フラッシュで足りなければ QSPI NOR。XIP できること、ランダム読み出しが速いことが理由。NAND は起動用の小さな NOR と組み合わせるか、eMMC のブートパーティションを使う。
• 作業用メモリ。数百 kB までは内蔵 SRAM、数 MB なら PSRAM か外付け SRAM、それ以上は DDR（コントローラを持つプロセッサが前提）。
• 設定値・校正値（書き換えは年に数回〜日に数回）。I²C EEPROM。マイコン内蔵フラッシュのエミュレーションでもよいが、消去単位と回数を計算する。
• 積算値・カウンタ・状態（秒〜分ごとに書く）。FRAM か MRAM。EEPROM では 100 万回を数週間で使い切る。
• ログ・測定データ（大量、追記）。SPI NAND か eMMC か SD カード。生 NAND は ECC と不良ブロック管理を自分で持つ覚悟が要る。
• OS のファイルシステム。eMMC。SD カードは抜き差し・粗悪品のリスクがあり、量産品では eMMC が標準。
• 電源断で消えてはいけない直前の状態。FRAM か MRAM。書き込み中の電源断でデータが壊れない。

よくある失敗

• フラッシュに毎秒書く。消去回数の上限に数日で達する。FRAM に替えるか、RAM に貯めて間隔を空けて書く。
• EEPROM の書き込み完了を待たない。書き込み中（5ms）に次の書き込みやリードをすると、応答しない（ACK ポーリングで待つ）。
• 書き込み中の電源断。フラッシュも EEPROM も、書き込み中に電源が落ちるとそのページが不定になる。2 面に交互に書いて CRC で選ぶか、FRAM を使う。
• 生 NAND を ECC なしで使う。出荷時から不良ブロックがあり、使用中にビット化けする。SLC でも ECC は必須。
• eMMC の寿命を無視する。内部は TLC NAND で、書き込み総量に上限がある（TBW）。ログを高頻度で書く用途では、寿命を計算し、SLC モードや産業用グレードを検討する。
• DRAM の配線を軽く見る。DDR3 以上は等長・インピーダンス・終端の設計が要り、4 層では厳しい。メモリを載せたモジュール（SOM）を使う選択肢も含めて判断する。
• MRAM の近くに磁石を置く。スピーカやリレー、ホールセンサ用の磁石が近いとデータが化ける品種がある。データシートの磁界耐性を確認する。