Co to jest odświeżanie pamięci?

Zarówno SRAM, jak i DRAM są formami pamięci ulotnej. Oznacza to, że potrzebują zasilania, aby zachować przechowywane dane. Być może słyszałeś o usuwaniu danych z pamięci RAM po wyłączeniu komputera, ale nie jest to do końca prawda. Dane nie są jawnie usuwane; ładunek wskazujący binarną 1 lub 0 w komórkach pamięci ucieka. Chociaż metoda jest inna, efekt jest taki sam; dane stają się niedostępne.

Proces ucieczki od ładunku jest niezbędny dla pamięci RAM. Jest tak ważny, że jest cechą odróżniającą SRAM od DRAM. Komórki statycznej pamięci o dostępie swobodnym ( SRAM ) wykorzystują sześć tranzystorów połączonych jako para sprzężonych krzyżowo falowników. Ta struktura utrzymuje ładunek w nieskończoność, dopóki komórka pamięci ma zasilanie. Komórki dynamicznej pamięci o dostępie swobodnym ( DRAM ) wykorzystują pojedynczy tranzystor, który stale traci ładunek i wymaga regularnego odświeżania.

Ta różnica strukturalna nadaje się również do różnic w użyciu między SRAM i DRAM. DRAM oferuje znacznie większą gęstość pamięci, ale wymaga bardziej skomplikowanych obwodów odświeżających, chociaż efekt ten nie jest wystarczający, aby zrównoważyć przewagę gęstości. SRAM jest jednak szybszy niż DRAM. W pamięciach podręcznych procesorów SRAM jest używany w małych ilościach, podczas gdy DRAM zapewnia systemową pamięć RAM o dużej pojemności.

Anatomia odświeżenia

Aby zrozumieć, w jaki sposób pamięć DRAM jest odświeżana, warto wiedzieć, w jaki sposób jest ona odczytywana. Dane DRAM są odczytywane w wierszach, przy czym cały wiersz jest odczytywany jednocześnie. W tym celu pobierana jest opłata za wiersz słowa. Powoduje to rozładowanie rzędu komórek pamięci do odpowiednich linii bitowych. Napięcia porównawcze linii bitowych są podawane do wzmacniaczy sensownych, które wzmacniają ładunek do minimum lub maksimum w zależności od stanu każdej linii bitowej.

Wzmacniacze zmysłów następnie zatrzaskują się i są dostępne do odczytu. Dane są następnie odczytywane z każdej określonej kolumny do magistrali pamięci w celu przesłania ich do procesora. Po odczytaniu wymaganych danych z wiersza, linia słowa wiersza i wzmacniacze czujników są wyłączane, podczas gdy linie bitów są ponownie ładowane.

Chociaż jest to bardzo złożone, być może zauważyłeś coś ważnego. Proces czytania rozładowuje komórki pamięci. Gdy komórka zostanie rozładowana, ponowne ich odczytanie spowoduje uzyskanie wszystkich zer, a dane zostaną utracone. Odczyt DRAM jest destrukcyjny, ale dane pozostają w pamięci RAM, gdy je czytasz. Brakuje kroku, który wyjaśnia tę rozbieżność. Podczas gdy wzmacniacze zmysłów są zablokowane, ich stan jest przekazywany z powrotem do komórek pamięci, z których odczytują, utrzymując niskie komórki i ładując wysokie komórki. Jest to wykonywane automatycznie przy każdej operacji odczytu i jest to operacja odświeżania.

Operacja odświeżania działa na tej samej zasadzie, ale zamiast przesyłać żądane dane do szyny pamięci, wzmacniacze czujników jedynie ładują komórki pamięci przed ponownym wyłączeniem.

Dlaczego odświeżenie jest konieczne?

Łatwo zrozumieć, dlaczego konieczne jest odświeżenie komórki pamięci po destrukcyjnej operacji odczytu. Jest mniej intuicyjne, dlaczego potrzebne są inne odświeżenia. Niestety, maleńkie tranzystory używane do utrzymywania ładunku w każdym ogniwie nie są idealne w utrzymywaniu ładunku. Po prostu wycieka. Dzieje się to dość szybko. Standard JEDEC dla obecnych standardów pamięci wymaga, aby wszystkie wiersze w układzie DRAM były odświeżane co 64 ms.

Aby zapobiec utracie wydajności, proces ten jest wykonywany oportunistycznie co 64 ms, odświeżając cały układ DRAM w jednej partii. Odczytywane wiersze są już odświeżane, ale gdy pamięć DRAM jest bezczynna, nieprzeczytane wiersze są odświeżane w tle.

Badania wykazały, że komórki DRAM mogą przechowywać dane przez 10 sekund bez odświeżania. Niektóre statystyczne wartości odstające mogą przechowywać dane nawet przez minutę. Niestety, w przeciwnym kierunku pojawiają się również wartości odstające, które nie mogą utrzymać ładunku nawet przez sekundę. Wybrano bardzo konserwatywny zegar cyklu odświeżania, aby uniknąć utraty lub uszkodzenia danych. Mimo to nowoczesna pamięć DRAM jest na tyle szybka, że ​​odświeżanie co 64 ms nie powoduje znacznej utraty wydajności.

Wskazówka: Naukowcy odkryli, że retencja ładunku może się znacznie różnić między komórkami, nawet w jednym układzie DRAM. Czasami dobre komórki nagle stają się gorsze w utrzymywaniu ładunku, więc nie można też niezawodnie wybierać.

Badania wykazały również, że temperatura odgrywa znaczącą rolę w szybkości zaniku ładunku. Powyżej 85 stopni Celsjusza ładunek może rozkładać się znacznie szybciej, więc czas cyklu odświeżania jest o połowę krótszy. I odwrotnie, zimna pamięć DRAM może dłużej utrzymywać swój ładunek. Jest to na tyle znane, że ataki „zimnego rozruchu” mogą być użyte do próby odzyskania danych „utraconych” podczas wyłączania z pamięci RAM poprzez jej schłodzenie.

Wniosek

Komórki DRAM wymagają regularnego odświeżania, aby przechowywać dane przez długi czas z dwóch powodów. Po pierwsze, operacja odczytu jest destrukcyjna. Po drugie, ładunek tranzystora maleje z upływem czasu. Aby zapobiec utracie danych, odczytane dane są ponownie zapisywane w tych samych komórkach pamięci, a komórki, które nie były ostatnio odczytywane, są regularnie odświeżane. Proces odświeżania jest zwykle potrzebny tylko co kilka sekund. Jednak wszystkie wiersze są odświeżane w bardzo konserwatywnej skali czasu, aby zapobiec utracie danych z komórek, które są statystycznie odstającymi pod względem szybkości zanikania ładunku.

Możliwe byłoby zmniejszenie częstotliwości odświeżania dzięki czujnikom temperatury i technologiom informującym o retencji. Wiązałoby się to z preferowaniem korzystania z komórek, które dobrze utrzymują ładunek. Takie postępowanie pozwoliłoby uniknąć, tam gdzie to możliwe, statystycznych wartości odstających, które wymagają takiego konserwatywnego dostrojenia. Jednak takie technologie nie są powszechnie stosowane, ponieważ zwiększają koszty i złożoność rozwiązania problemu przy minimalnym wpływie na wydajność. Podziel się swoimi przemyśleniami w komentarzach poniżej.