Wat is een geheugenvernieuwing?

Zowel SRAM als DRAM zijn vormen van vluchtig geheugen. Dit betekent dat ze een stroomvoorziening nodig hebben om de gegevens die ze opslaan te behouden. U hebt misschien gehoord dat gegevens uit het RAM-geheugen worden verwijderd wanneer uw computer wordt afgesloten, maar dit is niet helemaal waar. De gegevens worden niet expliciet verwijderd; de lading die een binaire 1 of 0 aangeeft in de geheugencellen ontsnapt. Hoewel de methode verschilt, is het effect hetzelfde; de gegevens worden ontoegankelijk gemaakt.

Het proces van ontsnappen aan de lading is essentieel voor RAM. Het is zo belangrijk dat het het onderscheidende kenmerk is tussen SRAM en DRAM. Static Random Access Memory ( SRAM ) cellen maken gebruik van zes transistors die zijn verbonden als een paar kruislings gekoppelde inverters. Deze structuur behoudt zijn lading voor onbepaalde tijd zolang de geheugencel stroom krijgt. Dynamic Random Access Memory ( DRAM )-cellen gebruiken een enkele transistor die constant zijn lading verliest en regelmatig moet worden vernieuwd.

Dit structuurverschil leent zich ook voor de verschillen in gebruik tussen SRAM en DRAM. DRAM biedt een aanzienlijk grotere opslagdichtheid, maar vereist meer gecompliceerde verversingscircuits, hoewel dit effect niet voldoende is om het dichtheidsvoordeel te compenseren. SRAM is echter sneller dan DRAM. In processorcaches wordt SRAM in kleine hoeveelheden gebruikt, terwijl DRAM systeem-RAM met een hoog volume levert.

De anatomie van een refresh

Om te begrijpen hoe DRAM wordt vernieuwd, is het handig om te weten hoe het wordt gelezen. DRAM-gegevens worden in rijen gelezen, waarbij een hele rij tegelijk wordt gelezen. Om dit te doen, wordt de woordregel van een rij opgeladen. Dit zorgt ervoor dat de rij geheugencellen zich ontlaadt naar hun respectieve bitlijnen. De vergelijkende spanningen van de bitlijnen worden toegevoerd aan leesversterkers, die de lading versterken tot het minimum of maximum, afhankelijk van de toestand van elke bitlijn.

De leesversterkers vergrendelen dan open en zijn beschikbaar om te worden gelezen. Gegevens worden vervolgens uit elke gespecificeerde kolom in de geheugenbus gelezen om naar de CPU te worden overgebracht. Zodra de vereiste gegevens uit de rij zijn gelezen, worden de woordlijn van de rij en de leesversterkers uitgeschakeld terwijl de bitlijnen opnieuw worden voorgeladen.

Hoewel dit zeer complex is, is het u misschien opgevallen dat er iets belangrijks is gebeurd. Het leesproces ontlaadt de geheugencellen. Als de cel ontladen is, zou herlezen alle nullen opleveren en zouden de gegevens verloren gaan. Het lezen van DRAM is destructief, maar de gegevens blijven in uw RAM wanneer u het leest. Er is een ontbrekende stap die deze discrepantie verklaart. Terwijl de leesversterkers vergrendeld zijn, wordt hun toestand teruggevoerd naar de geheugencellen waaruit ze lezen, waardoor lage cellen laag blijven en hoge cellen worden opgeladen. Dit gebeurt automatisch bij elke leesbewerking en is een verversingsbewerking.

Een verversingsoperatie werkt op dezelfde basis, maar in plaats van de gevraagde gegevens naar de geheugenbus over te brengen, laden de detectieversterkers alleen de geheugencellen op voordat ze weer worden uitgeschakeld.

Waarom is een verversing nodig?

Het is gemakkelijk te begrijpen waarom het nodig is om een ​​geheugencel te verversen na een destructieve leesbewerking. Het is minder intuïtief waarom andere vernieuwingen nodig zijn. Helaas zijn de minuscule transistors die worden gebruikt om de lading van elke cel te behouden, niet perfect in het vasthouden van een lading. Het lekt gewoon weg. Dit gebeurt vrij snel. De JEDEC-standaard voor de huidige geheugenstandaarden vereist dat alle rijen in een DRAM-chip elke 64 ms worden ververst.

Om prestatieverlies te voorkomen, wordt het proces elke 64 ms opportunistisch uitgevoerd en wordt de hele DRAM-chip in één batch vernieuwd. Rijen die zijn gelezen, worden al vernieuwd, maar terwijl de DRAM inactief is, worden ongelezen rijen op de achtergrond vernieuwd.

Onderzoek heeft aangetoond dat DRAM-cellen hun gegevens 10 seconden kunnen behouden zonder te worden vernieuwd. Sommige statistische uitbijters kunnen gegevens zelfs tot een minuut bewaren. Helaas krijg je ook uitschieters in de andere richting die geen seconde hun lading kunnen vasthouden. Er is gekozen voor een zeer conservatieve timer voor de vernieuwingscyclus om gegevensverlies of corruptie te voorkomen. Toch is moderne DRAM snel genoeg om elke 64 ms te verversen zonder merkbaar prestatieverlies.

Tip: Onderzoekers hebben ontdekt dat ladingbehoud aanzienlijk kan variëren tussen cellen, zelfs in een enkele DRAM-chip. Af en toe worden goede cellen ineens slechter in het vasthouden van hun lading, dus je kunt ook niet betrouwbaar kersen plukken.

Uit onderzoek is ook gebleken dat temperatuur een belangrijke rol speelt in de snelheid van ladingsverval. Boven de 85 graden Celsius kan de lading aanzienlijk sneller afnemen, waardoor de verversingscyclus wordt gehalveerd. Omgekeerd kan koude DRAM zijn lading langer behouden. Dit is voldoende bekend om "cold boot"-aanvallen te kunnen gebruiken om te proberen gegevens die "verloren" zijn bij het afsluiten van het RAM-geheugen te herstellen door het af te koelen.

Conclusie

DRAM-cellen moeten om twee redenen regelmatig worden vernieuwd om gegevens langdurig op te slaan. Ten eerste is de leesbewerking destructief. Ten tweede neemt de lading van de transistor na verloop van tijd af. Om gegevensverlies te voorkomen, worden gelezen gegevens teruggeschreven naar dezelfde geheugencellen en cellen die recent niet zijn gelezen, worden regelmatig vernieuwd. Het verversingsproces is over het algemeen slechts om de paar seconden nodig. Alle rijen worden echter vernieuwd op een zeer conservatieve tijdschaal om gegevensverlies te voorkomen van cellen die statistisch uitschieters zijn in hoe snel hun lading afneemt.

Het zou mogelijk zijn om te verminderen hoe vaak verversingen nodig zijn met temperatuursensoren en retentiebewustzijnstechnologieën. Dit houdt in dat de voorkeur wordt gegeven aan het gebruik van cellen die goed zijn in het vasthouden van een lading. Hierdoor zouden, waar mogelijk, de statistische uitschieters worden vermeden die een dergelijke conservatieve afstemming vereisen. Dergelijke technologieën worden echter over het algemeen niet gebruikt, omdat ze kosten en complexiteit toevoegen om een ​​probleem op te lossen met een minimale impact op de prestaties. Deel uw mening in de opmerkingen hieronder.