DRAM refresh里面的tRFC tREFI tREF之间是什么关系

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 **学DRAM的痛苦之一，是DRAM里面的timing太多了，各种各样的timing五花八门，奇形怪状，不知所云。**

Refresh操作里面也有很多对timing的要求，ACT要求tRCD/tFAW, PRE要求tRP, tRTP等。REF要求tRFC/ tREFI/ tREF等等。
那tRFC vs tREFI vs tREF之间是何等的三角关系呢？

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tRFC

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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？控制器又在做什么？
以下是DDR5 spec里面对tRFC的定义:

tRFC1/tRFC2/tRFCsb是由于不同的REF模式导致的不同的参数timing。除了这个差别之外，可以看到tRFC还会收到容量大小的影响。不同的refresh mode，tRFC还要求不一样。而且这个地方，为何会受到容量大小的影响呢？

refresh刷新的是什么？刷新的是row. 一个DRAM里面有多少条row？我们还是拿8Gb的DDR5来举例(在大容量的时代，8Gb基本没有存在价值):（本专栏之前的文章就介绍了refresh里面在做什么了，其实refresh = active + precharge)

看上图，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–>PRE，把workline打开一次，cell里面的电荷restore一次，然后precharge把wordline再次关闭。通过这种动作实现对cell的刷新。所以tRFC里面要求多少个ACT–>PRE,就要求多少个tRC的时间(tRAS+tRP), 多少个tRC的时间，我们姑且简单理解为相加的关系，最后加起来基本就是对tRFC的要求。tRC=tRAS+tRP基本等于48ns左右。记住这个数字

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tREFI

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tREFI:两次refresh之间的间隔

spec严格定义如下：

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这个描述的意思是32ms内刷新8192次, tREFI就base这个时间来计算。那tREFI=32ms/8192次=3.9us/次。这个地方在DDR5的spec上的描述跟之前的spec上有点差别。我们一般认为tREF是retention的时间。DRAM的cell的retention的标准是64ms. 所以一般是要求64ms内刷新完所有row. 但是这地方的tREF为何是32ms？这个地方的tREF其实不再代表retention的时间,而是只刷新8192次的时间。spec没说32ms内刷完所有row，而只是说32ms内刷到8192次。为何有如此差别？鄙人盲猜是为了跟之间的spec兼容。DDR4/LPDDR4以及更上一代的产品，8192次是可以刷完所有row的。那么到了DDR5, tREF变成了32ms内刷新8K次，也就意味着64ms内是要刷新16K次。

我们先定一个基本原则在这里，不然很容易产生谁是鸡，谁是蛋的问题。

**基本原则是：tREF=64ms(DDR4是8K，DDR5是16K). 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。

具体如何计算?
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–>PRE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。

上面的描述，其实已经体现了tREFI vs tRFC vs tREF之间的关系了。上面假定了tREFI=3.9us来计算的。**base温度不变的情况下：**假如tREFI=7.8us呢，意味着tREF=64ms内，只能发8K次REF cmd来刷完所有array，也就意味着一个REF里面要刷双倍的row(8条)，意味着可能更长的tRFC或者更大的power loading. 那假如tREFI=1.9us呢，意味着刷新率(refresh rate)更快，一次REF里面就可能只需要刷两条row了。这个前提是温度要不变的情况。实际情况是相同的density下，tRFC是keep不变的(同一种refresh mode下). tREFI时间一般是随着温度变化而变化。高温的时候tREFI会缩短，来保证array高温下的retention，当然功耗会增加。低温的时候tREFI会变长，来确保array retention没问题的情况下功耗更低。这种交互方式的实现一般是通过DRAM的MR4寄存器来实现。MR4会根据DRAM内部的温度传感器来判定当前DRAM的温度，然后反馈一个状态标志位给到controller。controller会做MR4的轮询检查，一旦发现温度有变化，就会考虑是否触发refresh rate的更改来求得功耗与quality之间的tradeoff

关于DRAM的refresh，还有很多细节能内容，本专栏将会一一分享介绍