DRAM刷新refresh相关知识归类-基础小知识（三）

文章目录

一、背景小知识
1.1 DRAM的层次结构
1.2 刷新要求
1.3 DRAM存储芯片的读写时序
1.4 刷新方式分类
参考文献

RAM每一位数据都是通过芯片内的一个小电容充电（或低电平）存储的。但随着时间的推移，电容逐渐失去电荷。为避免丢失存储的数据，必须定期刷新以将电荷（如果存在）恢复到其原始级别。此刷新过程包括读取每个位的值，然后将其写回。在此“刷新”期间，内存被占用，无法执行加载或存储位等正常操作。知道了应该这么做，但怎么去做以及有什么办法更有效率去做，就是接下来要整理的内容。

一、背景小知识

动态随机存储器(DRAM)具有速度快、密度高、成本低的优势,被广泛应用于计算机的主存.DRAM采用电容作为存储单元,电容电荷的多少表示数字"0"或"1".由于存在漏电现象,电容里的电荷会缓慢流失,造成数据丢失.为保证数据正确性,DRAM采用周期性的刷新操作,在数据丢失前,把数据读出然后重新写入存储单元.刷新操作会阻碍正常访存的执行,造成性能上的开销;同时刷新操作会消耗额外的功耗,带来功耗上的开销.刷新的开销与DRAM密度相关。随着内存容量需求的增加，DRAM占系统整体功耗的比例可达40%。

1.1 DRAM的层次结构

从顶层到Rank,Chip,Bank,Sub-array，MAT,Cell。一个Chip内部包含有多个Bank，每个bank包含有独立的行地址译码器（row decoder）和感应放大器（sense amplifier）。一般认为，Bank 是DRAM完成独立操作的最小单元。继续往下划分又分为Sub-array，MAT，Cell,具体介绍可参加参考文献一。重点是知道每个存储单元由一个电容和一个晶体管组成，电容的电荷多少表示数字‘1’或‘0’，晶体管的栅极与字线（Wordline）相连，字线控制晶体管的导通，晶体管的漏极与位线（bitline）相连，导通时由位线表示单元里存储的数据。

1.2 刷新要求

JEDEC要求在常温下每64ms(高温下为32ms)刷新一遍所有DRAM存储单元。这是一项相当耗时的操作。为避免每64ms出现一次大的停顿，这一过程被分为8192个较小的刷新操作。在每个操作中，计算机的存储器控制器向DRAM芯片发送刷新命令。在接收到指令后，芯片将刷新其单元总数的1/8192。计算一下： 64ms / 8192 = 7812.5 ns或7.81μs。简化DRAM控制器设计，DRAM控制器只需要在每个刷新周期向每个Rank发送8192个刷新。根据自身密度决定刷新行数，DRAM控制器发送2个刷新命令之间的间隔为刷新周期的1/8192，定义为T_REF1;DRAM芯片执行一个刷新命令的时间取决于DRAM芯片的密度，定义为T_REC.因此每个间隔内需要刷新的行数增多，刷新所占的时间比例不断增大。以4Gb DDR3 DRAM 为例，要求在300ns内完成对64行（8个Bank，每个Bank刷新8行）的刷新操作。单行刷新的延迟大约为50ns,在300ns完成对64行的刷新操作，只能通过并行方式实现，并行单行刷新所消耗的叠加电流必须在DRAM容许范围内。

典型的内存芯片用于刷新的时间占其运行时间的很大一部分——介于0.4％到5％之间。此外，存储器芯片功耗是典型计算机功耗中的一大部分，并且大部分功耗都用于执行刷新。

一个bank内多行并行刷新，实现在T_RFC刷新64行的操作。

1.3 DRAM存储芯片的读写时序

DRAM读周期：为了使芯片能正确地接收行、列地址并实现读操作，各信号的时间关系应符合下面的要求：行地址必须在RAS#信号有效之前送到芯片的地址输入端；CAS#信号应滞后RAS#一段时间，并滞后于列地址送到芯片地址输入端的时间；RAS#、CAS#应有足够的宽度；WE#信号为高，并在CAS#有效之前建立。

DRAM写周期：1、WE#信号为低，并在信号CAS#有效之前建立。2、数据必须在CAS#有效之前出现在DIN端。

1.4 刷新方式分类

集中式刷新：在规定的一个刷新周期，对所有存储单元集中一段时间逐行刷新。

例如：对64✖64的矩阵刷新，存取周期是0.5us，刷新1行的时间为0.5μs（刷新时间是等于存取周期的。因为刷新的过程与一次存取相同，只是没有在总线上输入输出。存取周期＞真正用于存取的时间，因为存取周期内、存取操作结束后仍然需要一些时间来更改状态。刷新周期为2ms（占4000个存取周期）。则集中刷新共需0.5✖64=32us（占64个存取周期），在这段时间内存只用来刷新，阻塞一切存取操作，其余3968个存取周期用来读/写或维持信息。

这64个存取周期称为“死时间”，所占的比率64/4000*100%=1.6%称为死时间率。

这种方式的优点是速度高，缺点是死时间长。

分散式刷新：指对每行存储单元的刷新分散到每个存取周期内完成。其中，把机器的存取周期分成两段，前半段用来读/写或维持信息，后半段用来刷新。

例如：对64*64的矩阵刷新，存取周期是0.5us，则读写周为0.5us。

刷新周期为：64*1us=64us<2ms ，在2ms丢失电荷前就会及时补充。

优点是没有死时间了，缺点是速度慢。无异于加长了存取周期，会使系统运行速度降低，刷新操作也过于频繁。

异步式刷新：指不规定一个固定的刷新周期，将每一行分来来看，只要在2ms内对这一行刷新一遍就行。

例如：对64*64的矩阵刷新，存取周期为0.5us。

要使每行能在2ms内刷新一次，即每隔（2ms/64us）刷新一行，也就是对这一行来说，下一次对它进行刷新的间隔，期间要经过64次内存刷新周期才又轮得到它。

每行刷新的时间仍为0.5us，刷新一行只停止一个存取周期，但对每行来说，刷新间隔在2ms以内，死时间缩短为0.5us。

参考文献

【1】崔泽汉, 陈明宇. 大容量DRAM的刷新开销问题及优化技术综述[J]. 计算机研究与发展, 2016, 53(2):416-430.

【2】JEDEC：Joint Electron Device Engineering Council. http://www.jedec.org 固态技术学会

【3】你的计算机内存每7.8微秒会有一个小停顿

【4】DRAM（动态）存储器

【5】刷新周期

【6】DRAM的三种刷新方式的刷新周期问题

【7】挑战408——组成原理（10）——SRAM与DRAM