什麼是內存刷新？

SRAM 和 DRAM 都是易失性存儲器的形式。這意味著他們需要一個電源來保留他們存儲的數據。您可能聽說過計算機關閉時數據會從 RAM 中刪除，但這並不完全正確。數據沒有明確刪除；表示存儲單元中二進制 1 或 0 的電荷會逸出。方法不同，效果是一樣的；數據變得不可訪問。

逃逸電荷的過程對於RAM來說是必不可少的。它是如此重要，以至於它是 SRAM 和 DRAM 之間的區別特徵。靜態隨機存取存儲器 ( SRAM ) 單元利用六個連接成一對交叉耦合反相器的晶體管。只要存儲單元有電源，這種結構就會無限期地保持其電荷。動態隨機存取存儲器 ( DRAM ) 單元使用單個晶體管，該晶體管會不斷失去電荷並需要定期刷新。

這種結構差異也導致了 SRAM 和 DRAM 在使用上的差異。DRAM 提供了更高的存儲密度，但需要更複雜的刷新電路，儘管這種影響不足以抵消密度優勢。然而，SRAM 比 DRAM 更快。在處理器緩存中，SRAM 被少量使用，而 DRAM 提供大容量系統 RAM。

刷新的剖析

要了解 DRAM 是如何刷新的，了解它的讀取方式很有幫助。DRAM 數據按行讀取，一次讀取整行。為此，一行的字線被充電。這導致存儲單元行放電到它們各自的位線。位線的比較電壓被饋送到讀出放大器，讀出放大器根據每條位線的狀態將電荷放大到最小值或最大值。

然後讀出放大器鎖存器打開並可供讀取。然後將數據從每個指定的列讀取到內存總線以傳輸到 CPU。一旦從該行讀取了所需的數據，該行的字線和讀出放大器就被關閉，同時位線再次被預充電。

雖然這非常複雜，但您可能已經註意到一些重要的事情。讀取過程使存儲單元放電。隨著電池放電，重新讀取它們將得到全 0，數據將丟失。讀取 DRAM 是破壞性的，但當您讀取數據時，數據會保留在您的 RAM 中。缺少一個步驟來解釋這種差異。當讀出放大器被鎖存時，它們的狀態被反饋到它們讀取的存儲單元中，使低電平單元保持低電平並為高電平單元充電。這是在每次讀取操作時自動完成的，並且是刷新操作。

刷新操作在相同的基礎上工作，但不是將請求的數據傳輸到內存總線，讀出放大器僅在再次關閉之前為內存單元充電。

為什麼需要刷新？

很容易理解為什麼在破壞性讀取操作後需要刷新存儲單元。為什麼需要其他刷新不太直觀。不幸的是，用於保持每個電池電荷的微型晶體管在保持電荷方面並不完美。它只是洩漏了。這發生得很快。當前內存標準的 JEDEC 標準要求 DRAM 芯片中的所有行每 64 毫秒刷新一次。

為了防止性能損失，該過程每 64 毫秒隨機執行一次，以刷新整個 DRAM 芯片。讀取的行已經刷新，但是當 DRAM 處於空閒狀態時，未讀取的行正在後台刷新。

研究表明，DRAM 單元可以在不刷新的情況下保留其數據 10 秒。一些統計異常值甚至可以維持數據長達一分鐘。不幸的是，您還會在另一個方向上遇到離群值，即使一秒鐘也無法保持它們的電荷。選擇非常保守的刷新周期計時器以避免數據丟失或損壞。不過，現代 DRAM 的速度足夠快，每 64 毫秒刷新一次並不會造成明顯的性能損失。

提示：研究人員發現，即使在單個 DRAM 芯片中，電池之間的電荷保留也會有很大差異。有時，好的電池突然變得更不擅長充電，所以你也不能可靠地挑選。

研究還發現，溫度對電荷衰減率起著重要作用。高於 85 攝氏度時，電荷會衰減得更快，因此刷新周期時間減半。相反，冷 DRAM 可以更長時間地保持其電荷。眾所周知，“冷啟動”攻擊可用於嘗試通過冷卻 RAM 來恢復關機時“丟失”的數據。

結論

DRAM 單元需要定期刷新以長期存儲數據，原因有二。首先，讀操作是破壞性的。其次，晶體管的電荷會隨著時間衰減。為防止數據丟失，將讀取的數據寫回相同的存儲單元，並且定期刷新最近未讀取的單元。刷新過程通常只需要每隔幾秒鐘。但是，所有行都在非常保守的時間範圍內刷新，以防止在電荷衰減速度方面處於統計異常值的電池丟失數據。

使用溫度傳感器和保留感知技術可以減少需要刷新的頻率。這將涉及優先使用擅長充電的電池。這樣做將盡可能避免需要這種保守調整的統計異常值。然而，此類技術並未得到普遍使用，因為它們會增加成本和復雜性以解決具有最小性能影響的問題。在下面的評論中分享您的想法。