Quest-ce quun rafraîchissement de la mémoire ?

SRAM et DRAM sont des formes de mémoire volatile. Cela signifie qu'ils ont besoin d'une alimentation électrique pour conserver les données qu'ils stockent. Vous avez peut-être entendu parler de données supprimées de la RAM lorsque votre ordinateur s'éteint, mais ce n'est pas tout à fait vrai. Les données ne sont pas explicitement supprimées ; la charge qui indique un 1 ou un 0 binaire dans les cellules mémoire s'échappe. Bien que la méthode diffère, l'effet est le même ; les données sont rendues inaccessibles.

Le processus d'évasion de la charge est essentiel pour la RAM. C'est tellement important que c'est la caractéristique distinctive entre SRAM et DRAM. Les cellules de mémoire à accès aléatoire statique ( SRAM ) utilisent six transistors connectés comme une paire d'onduleurs à couplage croisé. Cette structure maintient sa charge indéfiniment tant que la cellule mémoire est alimentée. Les cellules de mémoire dynamique à accès aléatoire ( DRAM ) utilisent un seul transistor qui perd constamment sa charge et doit être régulièrement rafraîchi.

Cette différence de structure se prête également aux différences d'utilisation entre SRAM et DRAM. La DRAM offre une densité de stockage nettement supérieure mais nécessite des circuits de rafraîchissement plus compliqués, bien que cet effet ne soit pas suffisant pour compenser l'avantage de la densité. La SRAM est cependant plus rapide que la DRAM. Dans les caches de processeur, la SRAM est utilisée en petites quantités, tandis que la DRAM fournit une RAM système à volume élevé.

L'anatomie d'un rafraîchissement

Pour comprendre comment la DRAM est actualisée, il est utile de savoir comment elle est lue. Les données DRAM sont lues en rangées, une rangée entière étant lue en une seule fois. Pour ce faire, la ligne de mots d'une rangée est chargée. Cela amène la rangée de cellules de mémoire à se décharger sur leurs lignes de bit respectives. Les tensions comparatives des lignes de bit sont introduites dans des amplificateurs de détection, qui amplifient la charge au minimum ou au maximum en fonction de l'état de chaque ligne de bit.

Les amplificateurs de détection se verrouillent alors en position ouverte et sont disponibles pour être lus. Les données sont ensuite lues à partir de chaque colonne spécifiée dans le bus mémoire pour être transférées au CPU. Une fois que les données requises ont été lues à partir de la rangée, la ligne de mot de la rangée et les amplificateurs de détection sont désactivés tandis que les lignes de bit sont à nouveau préchargées.

Bien que cela soit très complexe, vous avez peut-être remarqué quelque chose d'important. Le processus de lecture décharge les cellules de mémoire. Avec la cellule déchargée, les relire obtiendrait tous les 0, les données seraient perdues. La lecture de DRAM est destructrice, mais les données restent dans votre RAM lorsque vous les lisez. Il manque une étape qui explique cet écart. Pendant que les amplificateurs de détection sont verrouillés, leur état est réinjecté dans les cellules de mémoire à partir desquelles ils lisent, en maintenant les cellules basses au niveau bas et en chargeant les cellules hautes. Ceci est fait automatiquement à chaque opération de lecture et est une opération de rafraîchissement.

Une opération de rafraîchissement fonctionne sur la même base, mais au lieu de transférer les données demandées sur le bus mémoire, les amplificateurs de lecture ne font que recharger les cellules mémoire avant de s'éteindre à nouveau.

Pourquoi un rafraîchissement est-il nécessaire ?

On comprend aisément pourquoi il est nécessaire de rafraîchir une cellule mémoire après une opération de lecture destructive. Il est moins intuitif pourquoi d'autres rafraîchissements sont nécessaires. Malheureusement, les minuscules transistors utilisés pour maintenir la charge de chaque cellule ne sont pas parfaits pour conserver une charge. Ça fuit juste. Cela arrive assez rapidement. La norme JEDEC pour les normes de mémoire actuelles exige que toutes les lignes d'une puce DRAM soient actualisées toutes les 64 ms.

Pour éviter toute perte de performances, le processus est exécuté de manière opportuniste toutes les 64 ms en actualisant l'ensemble de la puce DRAM en un seul lot. Les lignes lues sont déjà actualisées, mais pendant que la DRAM est inactive, les lignes non lues sont actualisées en arrière-plan.

La recherche a montré que les cellules DRAM peuvent conserver leurs données pendant 10 secondes sans être actualisées. Certaines valeurs aberrantes statistiques peuvent même conserver les données jusqu'à une minute. Malheureusement, vous obtenez également des valeurs aberrantes dans l'autre sens qui ne peuvent pas tenir leur charge même pendant une seconde. Une minuterie de cycle de rafraîchissement très conservatrice est choisie pour éviter la perte ou la corruption de données. Pourtant, la DRAM moderne est suffisamment rapide pour que le rafraîchissement toutes les 64 ms n'applique pas de perte de performances appréciable.

Conseil : les chercheurs ont découvert que la rétention de charge peut varier considérablement d'une cellule à l'autre, même dans une seule puce DRAM. De temps en temps, les bonnes cellules deviennent soudainement moins performantes pour maintenir leur charge, vous ne pouvez donc pas non plus choisir de manière fiable.

La recherche a également montré que la température joue un rôle important dans le taux de décroissance de la charge. Au-dessus de 85 degrés Celsius, la charge peut décroître beaucoup plus rapidement, de sorte que le temps de cycle de rafraîchissement est divisé par deux. À l'inverse, la DRAM froide peut maintenir sa charge plus longtemps. Ceci est suffisamment connu pour que les attaques de "démarrage à froid" puissent être utilisées pour tenter de récupérer les données "perdues" lors de l'arrêt de la RAM en les refroidissant.

Conclusion

Les cellules DRAM ont besoin d'un rafraîchissement régulier pour stocker les données à long terme pour deux raisons. Premièrement, l'opération de lecture est destructive. Deuxièmement, la charge du transistor décroît avec le temps. Pour éviter la perte de données, les données lues sont réécrites dans les mêmes cellules de mémoire et les cellules qui n'ont pas été lues récemment sont régulièrement actualisées. Le processus de rafraîchissement n'est généralement nécessaire que toutes les quelques secondes. Cependant, toutes les lignes sont actualisées sur une échelle de temps très conservatrice pour éviter la perte de données des cellules qui sont des valeurs aberrantes statistiques dans la vitesse à laquelle leur charge se désintègre.

Il serait possible de réduire la fréquence des rafraîchissements nécessaires avec des capteurs de température et des technologies de sensibilisation à la rétention. Il s'agirait de privilégier l'utilisation de cellules ayant une bonne tenue de charge. Cela éviterait, dans la mesure du possible, les valeurs aberrantes statistiques qui nécessitent un tel réglage conservateur. Cependant, ces technologies ne sont généralement pas utilisées, car elles ajoutent des coûts et de la complexité pour résoudre un problème avec un impact minimal sur les performances. Partagez votre opinion dans les commentaires ci-dessous.