Was ist eine Speicheraktualisierung?

Sowohl SRAM als auch DRAM sind Formen von flüchtigem Speicher. Das bedeutet, dass sie eine Stromversorgung benötigen, um die gespeicherten Daten zu erhalten. Sie haben vielleicht davon gehört, dass Daten aus dem RAM gelöscht werden, wenn Ihr Computer heruntergefahren wird, aber das ist nicht ganz richtig. Die Daten werden nicht explizit gelöscht; die Ladung, die in den Speicherzellen eine binäre 1 oder 0 anzeigt, entweicht. Während sich die Methode unterscheidet, ist der Effekt derselbe; die Daten werden unzugänglich gemacht.

Der Prozess des Entweichens der Ladung ist für RAM wesentlich. Es ist so wichtig, dass es das Unterscheidungsmerkmal zwischen SRAM und DRAM ist. Statische Speicherzellen mit wahlfreiem Zugriff ( SRAM ) verwenden sechs Transistoren, die als Paar kreuzgekoppelter Inverter verbunden sind. Diese Struktur behält ihre Ladung unbegrenzt bei, solange die Speicherzelle mit Strom versorgt wird. Dynamic Random Access Memory ( DRAM )-Zellen verwenden einen einzelnen Transistor, der ständig seine Ladung verliert und regelmäßig aufgefrischt werden muss.

Dieser Strukturunterschied eignet sich auch für die Unterschiede in der Verwendung zwischen SRAM und DRAM. DRAM bietet eine deutlich höhere Speicherdichte, erfordert jedoch kompliziertere Auffrischschaltungen, obwohl dieser Effekt nicht ausreicht, um den Dichtevorteil auszugleichen. SRAM ist jedoch schneller als DRAM. In Prozessor-Caches wird SRAM in kleinen Mengen verwendet, während DRAM System-RAM mit hohem Volumen bereitstellt.

Die Anatomie einer Auffrischung

Um zu verstehen, wie DRAM aktualisiert wird, ist es hilfreich zu wissen, wie es gelesen wird. DRAM-Daten werden in Reihen gelesen, wobei eine ganze Reihe auf einmal gelesen wird. Dazu wird die Wortleitung einer Zeile geladen. Dies bewirkt, dass sich die Reihe von Speicherzellen zu ihren jeweiligen Bitleitungen entlädt. Die Vergleichsspannungen der Bitleitungen werden in Leseverstärker eingespeist, die die Ladung je nach Zustand jeder Bitleitung auf das Minimum oder Maximum verstärken.

Die Leseverstärker halten dann offen und stehen zum Lesen zur Verfügung. Daten werden dann aus jeder spezifizierten Spalte in den Speicherbus gelesen, um an die CPU übertragen zu werden. Sobald die erforderlichen Daten aus der Zeile gelesen wurden, werden die Wortleitung der Zeile und die Leseverstärker abgeschaltet, während die Bitleitungen erneut vorgeladen werden.

Obwohl dies sehr komplex ist, ist Ihnen vielleicht etwas Wichtiges aufgefallen. Der Lesevorgang entlädt die Speicherzellen. Wenn die Zelle entladen ist, würde ein erneutes Lesen alle 0 erhalten, die Daten würden verloren gehen. Das Lesen von DRAM ist destruktiv, aber die Daten bleiben in Ihrem RAM, wenn Sie sie lesen. Es fehlt ein Schritt, der diese Diskrepanz erklärt. Während die Leseverstärker verriegelt sind, wird ihr Zustand in die Speicherzellen zurückgeführt, aus denen sie lesen, wodurch niedrige Zellen niedrig gehalten und hohe Zellen geladen werden. Dies wird automatisch bei jeder Leseoperation durchgeführt und ist eine Auffrischungsoperation.

Eine Refresh-Operation funktioniert auf der gleichen Basis, aber anstatt die angeforderten Daten auf den Speicherbus zu übertragen, laden die Leseverstärker die Speicherzellen nur wieder auf, bevor sie wieder abschalten.

Warum ist eine Aktualisierung notwendig?

Es ist leicht zu verstehen, warum es notwendig ist, eine Speicherzelle nach einer destruktiven Leseoperation aufzufrischen. Es ist weniger intuitiv, warum andere Aktualisierungen erforderlich sind. Leider sind die winzigen Transistoren, die verwendet werden, um die Ladung jeder Zelle aufrechtzuerhalten, nicht perfekt darin, eine Ladung zu halten. Es tropft einfach weg. Das passiert ziemlich schnell. Der JEDEC-Standard für aktuelle Speicherstandards erfordert, dass alle Zeilen in einem DRAM-Chip alle 64 ms aufgefrischt werden.

Um Leistungsverluste zu vermeiden, wird der Prozess opportunistisch alle 64 ms durchgeführt, um den gesamten DRAM-Chip in einem Stapel aufzufrischen. Gelesene Zeilen werden bereits aufgefrischt, aber während der DRAM im Leerlauf sitzt, werden ungelesene Zeilen im Hintergrund aufgefrischt.

Untersuchungen haben gezeigt, dass DRAM-Zellen ihre Daten 10 Sekunden lang speichern können, ohne dass sie aufgefrischt werden. Einige statistische Ausreißer können Daten sogar bis zu einer Minute lang speichern. Leider gibt es auch Ausreißer in die andere Richtung, die ihre Ladung nicht einmal für eine Sekunde halten können. Es wird ein sehr konservativer Aktualisierungszyklus-Timer gewählt, um Datenverlust oder -beschädigung zu vermeiden. Dennoch ist moderner DRAM schnell genug, dass eine Aktualisierung alle 64 ms keinen nennenswerten Leistungsverlust verursacht.

Tipp: Forscher haben herausgefunden, dass die Ladungserhaltung zwischen den Zellen erheblich variieren kann, sogar in einem einzelnen DRAM-Chip. Gelegentlich werden gute Zellen plötzlich schlechter darin, ihre Ladung zu halten, sodass Sie auch nicht zuverlässig Rosinen auswählen können.

Die Forschung hat auch herausgefunden, dass die Temperatur eine bedeutende Rolle bei der Ladungszerfallsrate spielt. Über 85 Grad Celsius kann die Ladung deutlich schneller abfallen, sodass die Auffrischungszykluszeit halbiert wird. Umgekehrt kann Cold-DRAM seine Ladung länger aufrechterhalten. Dies ist bekannt genug, dass „Kaltstart“-Angriffe verwendet werden können, um zu versuchen, Daten wiederherzustellen, die beim Herunterfahren aus dem RAM „verloren“ sind, indem sie gekühlt werden.

Abschluss

DRAM-Zellen müssen aus zwei Gründen regelmäßig aufgefrischt werden, um Daten langfristig zu speichern. Erstens ist die Leseoperation destruktiv. Zweitens nimmt die Ladung des Transistors mit der Zeit ab. Um Datenverlust zu verhindern, werden gelesene Daten in dieselben Speicherzellen zurückgeschrieben, und Zellen, die kürzlich nicht gelesen wurden, werden regelmäßig aufgefrischt. Der Refresh-Vorgang ist in der Regel nur alle paar Sekunden notwendig. Alle Zeilen werden jedoch auf einer sehr konservativen Zeitskala aufgefrischt, um einen Datenverlust von Zellen zu verhindern, die statistische Ausreißer darin sind, wie schnell ihre Ladung abfällt.

Es wäre möglich, mit Temperatursensoren und Retention Awareness-Technologien die Häufigkeit der erforderlichen Aktualisierungen zu reduzieren. Dies würde beinhalten, die Verwendung von Zellen zu bevorzugen, die eine Ladung gut halten können. Dadurch würden, wenn möglich, die statistischen Ausreißer vermieden, die eine solche konservative Abstimmung erfordern. Solche Technologien werden jedoch im Allgemeinen nicht verwendet, da sie die Kosten und die Komplexität erhöhen, um ein Problem mit minimaler Auswirkung auf die Leistung zu lösen. Teilen Sie Ihre Gedanken in den Kommentaren unten mit.