メモリーリフレッシュとは？

SRAM と DRAM はどちらも揮発性メモリの形式です。これは、保存するデータを保持するために電源が必要であることを意味します。コンピュータのシャットダウン時に RAM からデータが削除されるという話を聞いたことがあるかもしれませんが、これは完全に真実ではありません。データは明示的に削除されません。メモリ セル内のバイナリ 1 または 0 を示す電荷が逃げます。方法は異なりますが、効果は同じです。データにアクセスできなくなります。

電荷をエスケープするプロセスは、RAM にとって不可欠です。これは非常に重要で、SRAM と DRAM を区別する機能です。スタティック ランダム アクセス メモリ ( SRAM ) セルは、1 対の交差結合インバータとして接続された 6 つのトランジスタを使用します。この構造は、メモリセルに電源が供給されている限り、その電荷を無期限に維持します。ダイナミック ランダム アクセス メモリ ( DRAM ) セルは、常に電荷を失い、定期的にリフレッシュする必要がある単一のトランジスタを使用します。

この構造の違いは、SRAM と DRAM の用途の違いにもつながります。DRAM は非常に高い記憶密度を提供しますが、より複雑なリフレッシュ回路を必要としますが、この効果は密度の利点を相殺するのに十分ではありません。ただし、SRAM は DRAM よりも高速です。プロセッサ キャッシュでは、SRAM は少量使用されますが、DRAM は大量のシステム RAM を提供します。

リフレッシュの構造

DRAM がどのように更新されるかを理解するには、その読み取り方法を知っておくと役に立ちます。DRAM データは行ごとに読み取られ、行全体が一度に読み取られます。そうするために、行のワード線が充電されます。これにより、メモリ セルの行がそれぞれのビット ラインに放電します。ビット線の比較電圧はセンスアンプに供給され、センスアンプは各ビット線の状態に応じて電荷を最小または最大に増幅します。

その後、センスアンプは開いた状態にラッチされ、読み取り可能になります。次に、指定された各列からデータがメモリ バスに読み込まれ、CPU に転送されます。必要なデータが行から読み取られると、行のワード ラインとセンス アンプがオフになり、ビット ラインが再びプリチャージされます。

これは非常に複雑ですが、重要なことに気付いたかもしれません。読み出しプロセスは、メモリ セルを放電します。セルが放電された状態で再度読み取ると、すべて 0 になり、データが失われます。DRAM の読み取りは破壊的ですが、読み取り時にデータは RAM に残ります。この不一致を説明するステップが欠落しています。センスアンプがラッチされている間、その状態は読み取り元のメモリセルにフィードバックされ、ローセルをローに保ち、ハイセルを充電します。これは、すべての読み取り操作で自動的に行われる更新操作です。

リフレッシュ動作も同じように機能しますが、要求されたデータをメモリ バスに転送する代わりに、センス アンプはメモリ セルを再充電してから再びオフにします。

リフレッシュが必要な理由

破壊的な読み取り操作の後にメモリ セルをリフレッシュする必要がある理由は簡単に理解できます。他の更新が必要な理由は直感的ではありません。残念ながら、各セルの電荷を維持するために使用される小さなトランジスタは、電荷を完全に保持できるわけではありません。漏れるだけです。これはすぐに起こります。現在のメモリ規格の JEDEC 規格では、DRAM チップのすべての行を 64ms ごとにリフレッシュする必要があります。

パフォーマンスの低下を防ぐため、プロセスは 64 ミリ秒ごとに日和見的に実行され、DRAM チップ全体が 1 つのバッチでリフレッシュされます。読み取られた行はすでにリフレッシュされていますが、DRAM がアイドル状態にある間、読み取られていない行はバックグラウンドでリフレッシュされています。

調査によると、DRAM セルはリフレッシュしなくても 10 秒間データを保持できることが示されています。一部の統計的外れ値は、最大 1 分間データを維持することさえできます。残念なことに、反対方向にも異常値が発生し、一瞬でも電荷を保持できなくなります。データの損失や破損を避けるために、非常に保守的な更新サイクル タイマーが選択されます。それでも、最新の DRAM は十分に高速であるため、64 ミリ秒ごとにリフレッシュしてもパフォーマンスが大幅に低下することはありません。

ヒント:研究者は、単一の DRAM チップであっても、セル間で電荷保持が大きく異なる可能性があることを発見しました。場合によっては、優れたセルが充電を保持するのが突然悪化することがあるため、確実にチェリーピックすることもできません.

研究では、温度が電荷の減衰率に重要な役割を果たすこともわかっています。摂氏 85 度を超えると、充電の減衰が大幅に速くなるため、リフレッシュ サイクル時間は半分になります。逆に、コールド DRAM は充電をより長く維持できます。これは、「コールド ブート」攻撃を使用して、RAM を冷却することにより、シャットダウン時に「失われた」データを RAM から回復しようとすることで十分に知られています。

結論

DRAM セルは、データを長期間保存するために定期的なリフレッシュが必要です。その理由は 2 つあります。まず、読み取り操作は破壊的です。第 2 に、トランジスタの電荷は時間とともに減衰します。データの損失を防ぐために、読み取ったデータは同じメモリ セルに書き戻され、最近読み取られていないセルは定期的にリフレッシュされます。通常、更新プロセスは数秒ごとにのみ必要です。ただし、すべての行は非常に控えめな時間スケールで更新され、電荷の減衰の速さが統計的に外れているセルからのデータ損失を防ぎます。

温度センサーと保持認識テクノロジーを使用して、必要な更新頻度を減らすことが可能です。これには、電荷の保持に優れたセルの使用を優先することが含まれます。そうすることで、可能であれば、そのような保守的な調整を必要とする統計的外れ値を回避できます。ただし、このようなテクノロジーは、パフォーマンスへの影響を最小限に抑えて問題を解決するためにコストと複雑さが増すため、一般的には使用されません。以下のコメントであなたの考えを共有してください。