Co je obnovení paměti?

SRAM i DRAM jsou formy volatilní paměti. To znamená, že k uchování uložených dat potřebují zdroj napájení. Možná jste slyšeli o vymazání dat z RAM při vypnutí počítače, ale není to tak úplně pravda. Data nejsou explicitně smazána; unikne náboj, který označuje dvojkovou 1 nebo 0 v paměťových buňkách. Zatímco metoda se liší, účinek je stejný; data jsou znepřístupněna.

Proces úniku náboje je pro RAM zásadní. Je tak důležitý, že je to rozlišovací znak mezi SRAM a DRAM. Buňky statické paměti s náhodným přístupem ( SRAM ) využívají šest tranzistorů spojených jako pár křížově propojených invertorů. Tato struktura si udržuje svůj náboj neomezeně dlouho, dokud má paměťová buňka napájení. Buňky dynamické paměti s náhodným přístupem ( DRAM ) používají jeden tranzistor, který neustále ztrácí svůj náboj a je třeba jej pravidelně obnovovat.

Tento strukturální rozdíl se také hodí k rozdílům v použití mezi SRAM a DRAM. DRAM nabízí výrazně větší hustotu úložiště, ale vyžaduje komplikovanější obnovovací obvody, i když tento efekt nestačí k vyrovnání výhody hustoty. SRAM je však rychlejší než DRAM. V mezipaměti procesoru se SRAM používá v malých množstvích, zatímco DRAM poskytuje velkoobjemovou systémovou RAM.

Anatomie osvěžení

Abyste pochopili, jak se DRAM obnovuje, je užitečné vědět, jak se čte. Data DRAM se čtou v řádcích, přičemž celý řádek se čte najednou. Za tímto účelem je zpoplatněn řádek se slovy. To způsobí, že se řada paměťových buněk vybije do příslušných bitových řádků. Srovnávací napětí bitových řádků jsou přiváděna do snímacích zesilovačů, které zesilují náboj na minimum nebo maximum v závislosti na stavu každého bitového řádku.

Snímací zesilovače se poté západkou otevřou a jsou k dispozici ke čtení. Data jsou poté načtena z každého specifikovaného sloupce do paměťové sběrnice, aby byla přenesena do CPU. Jakmile jsou požadovaná data načtena z řádku, řádek slova řádku a snímací zesilovače jsou vypnuty, zatímco bitové řádky jsou znovu nabity.

I když je to velmi složité, možná jste si všimli něčeho důležitého. Proces čtení vybíjí paměťové buňky. S vybitým článkem by jejich opětovné načtení dostalo všechny 0, data by byla ztracena. Čtení DRAM je destruktivní, ale data při čtení zůstávají v paměti RAM. Chybí krok, který vysvětluje tento rozpor. Zatímco jsou snímací zesilovače blokovány, jejich stav je přiváděn zpět do paměťových buněk, ze kterých čtou, čímž se nízké články udržují na nízké úrovni a vysoké se nabíjejí. To se provádí automaticky při každé operaci čtení a jedná se o operaci obnovení.

Obnovovací operace funguje na stejném základě, ale namísto přenosu požadovaných dat na paměťovou sběrnici snímací zesilovače pouze dobijí paměťové buňky před opětovným vypnutím.

Proč je nutné obnovení?

Je snadné pochopit, proč je nutné obnovit paměťovou buňku po destruktivní operaci čtení. Je méně intuitivní, proč jsou potřeba další aktualizace. Bohužel malé tranzistory používané k udržení náboje každého článku nejsou dokonalé při udržení náboje. Prostě to uniká. To se děje docela rychle. Standard JEDEC pro současné standardy paměti vyžaduje, aby se všechny řádky v čipu DRAM obnovovaly každých 64 ms.

Aby se zabránilo ztrátě výkonu, proces se příležitostně provádí každých 64 ms a obnovuje celý čip DRAM v jedné dávce. Čtené řádky jsou již obnoveny, ale zatímco je DRAM nečinná, na pozadí se obnovují nepřečtené řádky.

Výzkum ukázal, že buňky DRAM mohou uchovat svá data po dobu 10 sekund, aniž by se obnovovaly. Některé statistické odlehlé hodnoty mohou dokonce uchovávat data až po dobu jedné minuty. Bohužel se v opačném směru dostanete i na odlehlé hodnoty, které neudrží svůj náboj ani na vteřinu. Je zvolen velmi konzervativní časovač obnovovacího cyklu, aby se zabránilo ztrátě nebo poškození dat. Přesto je moderní DRAM dostatečně rychlá na to, aby obnovování každých 64 ms nezpůsobilo znatelnou ztrátu výkonu.

Tip: Vědci zjistili, že retence nabití se může mezi buňkami výrazně lišit, a to i v jediném čipu DRAM. Občas se stává, že dobré buňky najednou hůře drží svůj náboj, takže ani vy nemůžete spolehlivě vybrat třešeň.

Výzkum také zjistil, že teplota hraje významnou roli v rychlosti rozpadu náboje. Při teplotě nad 85 stupňů Celsia se nabití může výrazně rychleji vytrácet, takže doba obnovovacího cyklu je poloviční. Naopak studená DRAM dokáže udržet nabití déle. To je dostatečně známo, že útoky „cold boot“ lze použít k pokusu o obnovu dat „ztracených“ při vypnutí z paměti RAM jejich ochlazením.

Závěr

Buňky DRAM potřebují pravidelné obnovování pro dlouhodobé ukládání dat ze dvou důvodů. Za prvé, operace čtení je destruktivní. Za druhé, náboj tranzistoru časem klesá. Aby se zabránilo ztrátě dat, přečtená data se zapisují zpět do stejných paměťových buněk a buňky, které nebyly nedávno přečteny, jsou pravidelně obnovovány. Proces obnovy je obecně nutný pouze každých několik sekund. Všechny řádky se však obnovují ve velmi konzervativním časovém měřítku, aby se zabránilo ztrátě dat z buněk, které jsou statisticky odlehlé v tom, jak rychle se jejich náboj snižuje.

Bylo by možné snížit četnost potřeb obnovování pomocí teplotních senzorů a technologií pro retenci. To by znamenalo preferovat použití článků, které jsou dobré v udržení náboje. Pokud tak učiníte, vyhnete se tam, kde je to možné, statistickým odlehlým hodnotám, které vyžadují takové konzervativní ladění. Takové technologie se však obecně nepoužívají, protože zvyšují náklady a složitost řešení problému s minimálním dopadem na výkon. Podělte se o své myšlenky v komentářích níže.