[發(fā)明專(zhuān)利]一種混合存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)的低功耗刷新方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410067838.2
• 申請(qǐng)日: 2014-02-26
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103811048B
• 公開(kāi)（公告）日: 2017-01-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 景蔚亮;陳邦明
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 上海新儲(chǔ)集成電路有限公司
• 主分類(lèi)號(hào): G11C11/406
• 分類(lèi)號(hào): G11C11/406
• 代理公司: 上海申新律師事務(wù)所31272
• 代理人: 吳俊

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于計(jì)算機(jī)硬件領(lǐng)域，涉及一種內(nèi)存條刷新方法，尤其涉及一種混合存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)的低功耗刷新方法。

背景技術(shù)

在過(guò)去幾十年，動(dòng)態(tài)隨機(jī)訪(fǎng)問(wèn)存儲(chǔ)器（DRAM）成本隨著摩爾定律不斷降低。但隨著特征尺寸越來(lái)越小，芯片對(duì)功耗的要求越來(lái)越高，由于DRAM存儲(chǔ)電容漏電因此每隔一段時(shí)間就必須刷新一次，隨著DRAM容量越來(lái)越大，刷新功耗也越來(lái)越大，如圖1所示。刷新操作不僅耗電，而且由于干涉到存儲(chǔ)器存取因此DRAM性能也會(huì)下降。目前DRAM刷新頻率是由最差存儲(chǔ)單元（tail?bit）所決定的，例如64ms，存儲(chǔ)單元保持時(shí)間分布如圖2所示，圖中可以看出絕大數(shù)單元的保持?jǐn)?shù)據(jù)的能力是遠(yuǎn)比刷新周期要長(zhǎng)的。并且隨著溫度升高，刷新頻率也會(huì)上升。因此如何降低刷新功耗、降低刷新頻率是提高DRAM性能亟需解決的問(wèn)題。

目前DRAM有兩種基本的刷新方式，集中式刷新（burst?refresh）和分布式刷新（distributed?refresh）。集中式刷新方式中將刷新周期分成兩部分：在一個(gè)時(shí)間段內(nèi)，刷新存儲(chǔ)器所有行，此時(shí)CPU停止訪(fǎng)問(wèn)內(nèi)存；另一個(gè)時(shí)間段內(nèi)，CPU可以訪(fǎng)問(wèn)內(nèi)存，刷新電路不工作。這種刷新模式存在讀寫(xiě)死區(qū)時(shí)間，適用于高速存儲(chǔ)器。分布式刷新電路是CPU與刷新電路交替訪(fǎng)問(wèn)內(nèi)存，在一個(gè)刷新周期內(nèi)，所有的行都被刷新一次，且同一行被刷新的時(shí)間間隔等于存儲(chǔ)芯片的刷新周期，兩種刷新方式如圖3所示。例如對(duì)一個(gè)4K行的DRAM存儲(chǔ)器陣列來(lái)說(shuō)，刷新周期為64ms，一個(gè)刷新周期內(nèi)有4096個(gè)刷新次數(shù)，對(duì)每一行刷新需要的時(shí)間為130ns。對(duì)集中式刷新方式來(lái)說(shuō)，需要對(duì)4096行集中刷新，時(shí)間為：

4096×130ns=532480ns≈0.532ms；

64ms-0.532ms=63.468ms；

也就是說(shuō)在一個(gè)刷新周期內(nèi)，有0.532ms的時(shí)間耗費(fèi)在刷新上，此時(shí)CPU無(wú)法訪(fǎng)問(wèn)DRAM，剩余63.468ms提供給CPU對(duì)DRAM進(jìn)行讀或者寫(xiě)操作。對(duì)分布式刷新方式來(lái)說(shuō)，64ms分配到每一行是：

64ms÷4096=15.6us；

15.6us-0.13us=15.47us；

也就是說(shuō)在一個(gè)刷新周期內(nèi)，DRAM中的每一行有0.13us耗費(fèi)在刷新上，剩余15.47us可供CPU對(duì)該行進(jìn)行讀寫(xiě)操作。

自動(dòng)溫度補(bǔ)償自刷新技術(shù)（Auto?Temperature?Compensated?Self?Refresh）是一種低功耗的DRAM刷新技術(shù)。當(dāng)溫度升高，刷新頻率必須提高以免數(shù)據(jù)丟失，刷新功耗也隨之上升；相反，當(dāng)溫度降低，數(shù)據(jù)保持能力也會(huì)上升，刷新頻率可隨之降低，如圖4所示。其實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。自動(dòng)溫度補(bǔ)償自刷新模塊利用一個(gè)內(nèi)建溫度傳感器去感應(yīng)周?chē)鷾囟龋缓笞詣?dòng)調(diào)整刷新間隔，從而顯著降低功耗。傳統(tǒng)的溫度補(bǔ)償自刷新模塊可以從外部來(lái)改變溫度寄存器的值從而調(diào)整刷新頻率。這種技術(shù)雖然能夠降低刷新頻率，但是在一定的溫度范圍內(nèi)，所設(shè)定的刷新頻率是固定的，并沒(méi)有考慮到最差存儲(chǔ)單元的分布。而且隨著技術(shù)發(fā)展DRAM離CPU越來(lái)越近，溫度也會(huì)越來(lái)越高，這種降低功耗的方法也越來(lái)越局限。

一種基于數(shù)據(jù)保持時(shí)間的DRAM智能刷新技術(shù)是將DRAM行根據(jù)保持時(shí)間的不同分成不同的組，對(duì)每一個(gè)組以不同的刷新頻率進(jìn)行刷新。那些包含最差存儲(chǔ)單元的組以正常刷新頻率刷新，而絕大部分的行刷新頻率大大降低，無(wú)需對(duì)DRAM陣列進(jìn)行修正，只需對(duì)DRAM控制器進(jìn)行最小限度的修正。資料顯示在32GB?DRAM的八核系統(tǒng)中，刷新頻率能夠降低74.6%，平均DRAM功耗可降低16.1%。雖然這種方法考慮了最差存儲(chǔ)單元，但是不論DRAM是否繁忙，包含最差存儲(chǔ)單元的行仍需要以正常刷新頻率進(jìn)行刷新。

近來(lái)，一些新型的DRAM結(jié)構(gòu)或者存儲(chǔ)材料被提出來(lái)以解決當(dāng)前DRAM技術(shù)的缺陷。IBM公司主張用非易失性存儲(chǔ)器相變存儲(chǔ)器（PCM）與DRAM結(jié)合形成一種混合存儲(chǔ)器。其結(jié)構(gòu)如圖6所示。DRAM只作為高速緩存器，緩存最近使用的信息，只有在需要時(shí)才將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到PCM中。由于DRAM只是作為緩存，容量不需要很大，PCM作為主存儲(chǔ)介質(zhì)在存儲(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)無(wú)需定時(shí)刷新，因此這種結(jié)構(gòu)能夠大大降低數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的功耗，但是由于PCM存儲(chǔ)與存取速度較慢，因此這種結(jié)構(gòu)在整體性能上明顯下降。另一種混合存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)如圖7所示，其中5為非易失性存儲(chǔ)器，7為邏輯檢測(cè)模塊。利用非易失性存儲(chǔ)器5中的存儲(chǔ)單元替代原DRAM主存儲(chǔ)器2中位于尾端分布區(qū)的存儲(chǔ)單元，從而可以大大提高刷新周期，降低刷新頻率，極大地降低了原DRAM刷新功耗。

發(fā)明內(nèi)容