DRAM里面的refresh/tRFC/tREFI的理解

zxqwolf

一篇关于DRAM里面的refresh/tRFC/tREFI的介绍，转自微信公众号：DRAM视界

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          粘贴的内容格式乱七八糟。欢迎去公众号查看内容。。。

         DRAM的ACT command打开wordline后，电容里面的data会sharing到bitline上，然后sense amplifier开始工作，将这部分电压进行放大，以便更能充分的识别成0跟1. PRE command就是关闭wordline

        tRFC = Refresh Cycle Time. 一次Refresh动作需要的时间。为什么有这个timing限制？在这个timing里面，DRAM在做什么？

        8Gb DDR4 row是65536条，那我们每一次refresh里刷多少条row呢？一条还是两条还是四条？这个次数影响到了tRFC的时间。一次refresh里面要刷的row的次数越多，理论上可能会要求tRFC时间就要越长。因为tRFC期间内，DRAM内部的动作，其实就是简单的ACT-->RE，把workline打开一次，cell里面的电荷restore一次，然后precharge把wordline再次关闭。所以tRFC里面要求多少个ACT->RE,就要求多少个tRC的时间(tRAS+tRP), 多少个tRC的时间，最后加起来基本就是对tRFC的要求

        基本原则是：tREF=64ms是硬性条件。不满足这个条件，cell就可以bit flip了，data就可能丢失了。也就是说，不管LP3/LP4/DDR3/DDR4/LP5/DDR5甚至未来的LP6/DDR6,还有GDDR系列，64ms时间内，必须把所有的row刷一遍。Base这个条件，我们再看看tRFC跟tREFI是个什么关系？

       一个tRC=tRAS+tRP=48ns,就是一次ACT+PRE的时间

       我们先定tREFI=3.9us(依旧以8Gb DDR5 spec来看)，那么64ms内，就是可以刷16K次REF cmd. 那么65536条row要在64ms内刷完(其实64ms内，刷的是16K次=64ms/3.9us），也就是65536条row要通过16K次REF command都要刷一圈。

       那么一次就要刷4条row（65536/16K). tRFC=4*tRC=192ns. 也就基本满足spec tRFC 195ns. 注意:65536条row是一个bank里面的数量。所以以上的计算方法默认的前提是所有bank都在同时做刷新动作. 也即一次REF command里面，在tRFC的时间内，for 8Gb density的话，是所有bank里面都要连续做四条row的ACT-->RE动作。

      那么普通的提升arrary retention的办法基本就有两路(排除提升cell本身的办法), 1): 缩短tREFI，在64ms内能多发更多的REF command. 2): 一个tRFC时间内刷更多的row，一次4条提升到一次刷8条，甚至16条。

     一般从系统角度提高refresh rate的办法，是缩短tREFI，当然从颗粒角度，提升refresh rate的办法，还包含增加tRFC内刷新row的条数。

     那为什么tRFC会跟着density走呢？我们先看DDR4的spec4Gb vs 8Gb vs 16Gb: row的条数在翻倍)

    DDR4是通过增加row的条数来扩充density的。所以row的条数的翻倍，直接导致要刷新一轮所有array的时间增加。所以在tREFI  跟tREF不变的情况下，row增加，唯一可以做的，就是增加一次REF command里面刷新的条数，这个时候，tRFC的时间就会随着density的增加而增加。

     那么仔细研究会发现，tRFC又不是成倍的增加。4Gb vs 8Gb vs 16Gb, 或者DDR5的tRFC spec,也不是随着density增加一倍而增加一倍的tRFC，为什么呢？

    tRFC的增加是有代价的。refresh的command严重影响DRAM的performance，导致访问DRAM的latency增加的原因就是因为tRFC.  我们当然希望容量的增加是不要以牺牲性能为代价。假如一个tRFC时间内做了四次ACT+PRE(4*tRC), 那么row增加一倍的话，可以单纯增加到8tRC, 但是也可以通过一次ACT开多条row来实现(这个地方不meet interface上的ACT command的spec，需要DRAM内部地址decode来实现). 假如4次tRC时间内，其实可以刷8条row/16条row呢？

    拿DDR3 8个bank而言，假如REF是打开所有的bank的某条row的。那么默认就是一次开8(bank)*4条row(tRC). 当density翻倍，就可以开8*8条row来实现。side effect是同时开更多的row会造成功耗过大，内部power drop等过大，在兼容tRFC跟功耗、power等方面做了取舍。所以我们可以用8(bank)*8条row的方式来做，但是bank之间是错开打开bank。

    这样的话，tRFC会稍微增加(增加的时间是每个bank错开的时间), 功耗也会下降(避免同时打开过多的row). 这就是trade off的艺术。DDR4亦然，DDR5既通过增加row的方式来增加density，也通过增加bank数量来增加density，所以道理亦然。