Understanding the Security Benefits and Overheads of Emerging Industry Solutions to DRAM Read Disturbance

我们提供了首个对DRAM内读干扰缓解方法Per Row Activation Counting (PRAC)的严格安全性、性能、能耗和成本分析，该方法被描述在JEDEC DDR5规范的2024年4月更新中。与先前的最新技术不同，先前的技术建议内存控制器定期发出刷新管理(RFM)命令，这提供了DRAM芯片执行刷新的时间。PRAC引入了一个新的后退信号，该信号从DRAM芯片传播到内存控制器，强制内存控制器停止服务请求并发出RFM命令。因此，RFM命令在需要时发出，而不是定期发出，减少了RFM的开销。我们分四步分析PRAC。首先，我们定义了一个对PRAC安全性最不利的对抗性访问模式。其次，我们调查了PRAC的配置和安全影响。我们的分析表明，只要在访问内存位置之前没有发生位翻转，PRAC就可以被配置为安全操作，访问次数为10次。第三，我们使用Ramulator 2.0评估了PRAC的性能影响，并将其与之前的工作进行了比较。我们的分析表明，对于今天的DRAM芯片，PRAC的性能开销不到13%，但对于未来更容易受到读干扰位翻转影响的DRAM芯片，其性能开销可能高达94%。第四，我们定义了一个可用性对抗性访问模式，加剧了PRAC的性能开销，以执行内存性能攻击，表明这样的对抗性模式可以占用高达94%的DRAM吞吐量，并将系统吞吐量降低高达95%。我们讨论了PRAC对未来系统的影响，并预示了未来的研究方向。为了帮助未来的研究，我们在https://github.com/CMU-SAFARI/ramulator2开源了我们的实现和脚本。

对DRAM芯片中的读取干扰进行有效的管理，减少RFM（刷新管理）命令的开销，提高系统的性能和能源效率。

通过PRAC（Per Row Activation Counting）方法，引入新的后退信号来代替周期性的RFM命令，以减少RFM的开销。PRAC的后退信号从DRAM芯片传播到内存控制器，强制内存控制器停止服务请求并发出RFM命令，从而在需要时发出RFM命令，降低了RFM的开销。

论文首次对PRAC方法进行了严格的安全性、性能、能源和成本分析。论文定义了最坏情况下的对PRAC安全性的攻击模式，并研究了PRAC的配置和安全性影响。实验结果表明，PRAC可以在安全的操作下进行配置。通过使用Ramulator 2.0进行性能评估，论文发现PRAC对于当今的DRAM芯片而言，性能开销不到13％，但对于更容易受到读取干扰位翻转影响的未来DRAM芯片而言，性能开销可能高达94％。此外，论文还展示了PRAC的可用性攻击模式，该模式可以占用高达94％的DRAM吞吐量，并将系统吞吐量降低高达95％。论文开源了实现和脚本，以帮助未来的研究。

最近的相关研究包括：1. JEDEC DDR5规范中描述的先前的RFM方法；2. 旨在减少RFM开销的其他DRAM管理方法，如行重构、行打开和行关闭。