Mi az a memóriafrissítés?

Mind az SRAM, mind a DRAM az illékony memória formái. Ez azt jelenti, hogy tápegységre van szükségük az általuk tárolt adatok megőrzéséhez. Lehet, hogy hallott már arról, hogy a számítógép leállításakor adatok törlődnek a RAM-ból, de ez nem teljesen igaz. Az adatok nincsenek kifejezetten törölve; a memóriacellákban bináris 1-et vagy 0-t jelző töltés megszökik. Bár a módszer különbözik, a hatás ugyanaz; az adatok elérhetetlenné válnak.

A töltés elkerülésének folyamata elengedhetetlen a RAM számára. Annyira fontos, hogy ez a különbség az SRAM és a DRAM között. A statikus véletlen hozzáférésű memória ( SRAM ) cellák hat tranzisztort használnak, amelyek egy pár keresztcsatolt inverterként vannak összekapcsolva. Ez a szerkezet korlátlanul fenntartja töltését mindaddig, amíg a memóriacellának van tápegysége. A Dynamic Random Access Memory ( DRAM ) cellák egyetlen tranzisztort használnak, amely folyamatosan veszít a töltéséből, és rendszeresen frissíteni kell.

Ez a szerkezeti különbség az SRAM és a DRAM használatában fennálló különbségekre is alkalmas. A DRAM lényegesen nagyobb tárolási sűrűséget kínál, de bonyolultabb frissítési áramkört igényel, bár ez a hatás nem elegendő a sűrűségelőny ellensúlyozására. Az SRAM azonban gyorsabb, mint a DRAM. A processzor gyorsítótáraiban az SRAM-ot kis mennyiségben használják, míg a DRAM nagy mennyiségű rendszer-RAM-ot biztosít.

A felfrissülés anatómiája

A DRAM frissítésének megértéséhez hasznos tudni, hogyan olvassa be. A DRAM-adatok soronként kerülnek beolvasásra, és egy egész sor kerül beolvasásra egyszerre. Ehhez egy sor szósorát megterheljük. Ez azt okozza, hogy a memóriacellák sora kisül a megfelelő bitsorokra. A bitvonalak összehasonlító feszültségeit érzékelő erősítőkbe táplálják, amelyek a töltést az egyes bitvonalak állapotától függően a minimumra vagy maximumra erősítik.

Az érzékelő erősítők ezután kinyílnak, és leolvashatók. Ezután minden megadott oszlopból beolvassák az adatokat a memóriabuszba, hogy átvigyék a CPU-ra. Miután a szükséges adatot kiolvastuk a sorból, a sor szósora és az érzékelő erősítők kikapcsolnak, míg a bitsorok ismét előtöltésre kerülnek.

Bár ez nagyon összetett, talán észrevett valami fontosat. Az olvasási folyamat lemeríti a memóriasejteket. Ha a cella lemerült, az újraolvasásuk minden 0-t kapna, az adatok elvesznének. A DRAM olvasása romboló hatású, de az adatok a RAM-ban maradnak olvasáskor. Van egy hiányzó lépés, amely megmagyarázza ezt az eltérést. Amíg az érzékelő erősítők reteszelve vannak, állapotukat visszatáplálják a memóriacellákba, amelyekről olvasnak, alacsonyan tartva az alacsony cellákat és feltöltve a magas cellákat. Ez minden olvasási műveletnél automatikusan megtörténik, és egy frissítési művelet.

A frissítési művelet ugyanezen az alapon működik, de ahelyett, hogy a kért adatokat a memóriabuszra továbbítanák, az érzékelő erősítők csak a memóriacellákat töltik újra, mielőtt újra kikapcsolnák.

Miért szükséges a frissítés?

Könnyen érthető, hogy miért van szükség egy memóriacella frissítésére egy romboló olvasási művelet után. Kevésbé intuitív, hogy miért van szükség más frissítésekre. Sajnos az egyes cellák töltésének fenntartásához használt apró tranzisztorok nem képesek tökéletesen megtartani a töltést. Csak úgy kiszivárog. Ez elég gyorsan megtörténik. A jelenlegi memóriaszabványokra vonatkozó JEDEC szabvány előírja, hogy a DRAM chip minden sorát 64 ms-onként frissíteni kell.

A teljesítményvesztés elkerülése érdekében a folyamatot opportunista módon 64 ms-onként hajtják végre, a teljes DRAM chipet egy kötegben frissítve. Az olvasott sorok már frissülnek, de amíg a DRAM tétlen, az olvasatlan sorok frissítése a háttérben történik.

Kutatások kimutatták, hogy a DRAM-cellák 10 másodpercig képesek megőrizni adataikat frissítés nélkül. Egyes statisztikai kiugró értékek akár egy percig is megőrizhetik az adatokat. Sajnos a másik irányban is előfordulnak olyan kiugró értékek, amelyek egy másodpercre sem bírják a töltésüket. Nagyon konzervatív frissítési ciklusidőzítőt választottak az adatvesztés vagy -sérülés elkerülése érdekében. Ennek ellenére a modern DRAM elég gyors ahhoz, hogy a 64 ms-onkénti frissítés ne járjon számottevő teljesítményveszteséggel.

Tipp: A kutatók azt találták, hogy a töltésvisszatartás jelentősen eltérhet az egyes cellákban, még egyetlen DRAM chip esetén is. Időnként a jó sejtek hirtelen rosszabbul tartják töltésüket, így nem lehet megbízhatóan cseresznyét választani.

A kutatások azt is kimutatták, hogy a hőmérséklet jelentős szerepet játszik a töltés csökkenésének sebességében. 85 Celsius fok felett a töltés lényegesen gyorsabban bomlik, így a frissítési ciklus ideje felére csökken. Ezzel szemben a hideg DRAM tovább tudja tartani a töltöttségét. Ez eléggé ismert ahhoz, hogy a „cold boot” támadások felhasználhatók a leállításkor „elveszett” adatok helyreállítására a RAM hűtésével.

Következtetés

A DRAM-cellákat két okból is rendszeresen frissíteni kell az adatok hosszú távú tárolásához. Először is, az olvasási művelet destruktív. Másodszor, a tranzisztor töltése idővel csökken. Az adatvesztés elkerülése érdekében a beolvasott adatok ugyanazokba a memóriacellákba íródnak vissza, és a nemrégiben nem olvasott cellák rendszeresen frissülnek. A frissítési folyamat általában csak néhány másodpercenként szükséges. Azonban az összes sor frissítése nagyon konzervatív időskálán történik, hogy megakadályozzák az adatvesztést azokból a cellákból, amelyek statisztikailag kiugróak a töltés csökkenésének sebességében.

Lehetővé válna a frissítések gyakoriságának csökkentése hőmérséklet-érzékelőkkel és a visszatartásra figyelő technológiákkal. Ez azt jelentené, hogy előnyben részesítik a töltést jól tartó cellákat. Ezzel lehetőség szerint elkerülhetőek az ilyen konzervatív hangolást igénylő statisztikai kiugró értékek. Az ilyen technológiákat azonban általában nem használják, mivel költséget és bonyolultságot növelnek a probléma minimális teljesítményhatással történő megoldásához. Ossza meg gondolatait az alábbi megjegyzésekben.