Kısmi yük yenileme tekniği ile satırdarbesi önleme mekanizmalarının performansının iyileştirilmesi
Partial charge restoration technique to improve the performance of rowhammer mitigation mechanisms
Yazar: YAHYA CAN TUĞRUL
Danışman: PROF. DR. OĞUZ ERGİN
TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control

Özet:
Modern DRAM çiplerinde gerçekleşen okuma hataları, bellek yalıtımını bozabilen yaygın bir zayıflıktır. Bellek yalıtımı, bellek güvenliği ve güvenilirliğinin temel yapı taşlarından biridir. SatırDarbesi zafiyeti, DRAM'deki okuma hatalarına önemli bir örnektir; burada DRAM hücrelerinin bir satırına (DRAM satırı) tekrar tekrar erişmek (darbeleme), fiziksel olarak yakın DRAM satırlarında (kurban satırlar) bit hatalarına neden olur. Ne yazık ki, teknoloji düğüm boyutunun küçülmesi SatırDarbesi zafiyetini kötüleştirir ve böylece, daha yeni DRAM çip nesillerinde daha az erişim yaparak SatırDarbesi bit hataları oluşturulabilir. Güvenilir DRAM kullanımı için, son teknoloji SatırDarbesi önleme mekanizmaları potansiyel kurban satırlardaki DRAM hücrelerinin yükünü yeniler (önleyici yenileme ya da yük yenileme). Gerçekleştirilen bu önleyici yenileme operasyonu DRAM çipini bir süre kilitleyerek performans kayıplarına yol açar. Daha yeni DRAM çip nesilleri ile bu mekanizmalar önleyici yenilemeyi daha sık gerçekleştirir ve daha büyük performans kayıplarına neden olur.
Güvenilirlik ve güvenlikten ödün vermeden bu kaybı azaltmak için bizim amacımız, önleyici yenileme için harcanan zamanı azaltmak ve bu azaltılmış zamanın SatırDarbe zafiyeti üzerindeki etkisini anlamaktır. Bu amaçla, gerçek DRAM çiplerinde veri tutma süresi, yük yenileme ve SatırDarbesi zafiyetinin özellikleri arasındaki etkileşimlere dair ilk kapsamlı deneysel çalışmayı sunuyoruz. Üç büyük DRAM üreticisinden toplam 388 DDR4 DRAM çipini test ediyoruz ve bir yük yenileme operasyonunun gecikmesinin önemli ölçüde azaltılabileceğini (%64 oranında) ve dolayısıyla, biraz daha fazla (%0,54 oranında) önleyici yenileme operasyonu gerektireceğini gözlemliyoruz. Bu gözlemimizi kullanarak, yük yenileme gecikmesini dinamik olarak ayarlayan, mevcut SatırDarbesi önleme mekanizmalarının saldırganlığını düzenleyen ve bellek kontrolcüsü tabanlı düşük maliyetli bir mekanizma olan Kısmi
Yük Yenileme ile Agresif Önleme'yi (PaCRAM) öneriyoruz. PaCRAM'i beş son teknoloji SatırDarbesi önleme mekanizması ile kullanarak önleme mekanizmalarının performans (enerji) kayıplarını sırasıyla ortalama olarak %18,95 (%14,59), %12,28 (%11,56), %2,07 (%1,15), %2,56 (%2,18) ve %5,37 (%4,50) oranında azaltarak sistem performansını ve enerji verimliliğini önemli ölçüde artırıyoruz.

Abstract:
Read disturbance in modern DRAM chips is a widespread weakness that is used for breaking memory isolation, one of the fundamental building blocks of security and privacy in memory. RowHammer is a prime example of read disturbance in DRAM where repeatedly accessing (hammering) a row of DRAM cells (DRAM row) induces bitflips in physically nearby DRAM rows (victim rows). Unfortunately, shrinking technology node size exacerbates RowHammer and as such, significantly fewer accesses can induce bitflips with newer DRAM chip generations. To ensure reliable DRAM operation, state-of-the-art mitigation mechanisms restore the charge in potential victim rows (i.e., preventive refresh or charge restoration). With newer DRAM chip generations, these mechanisms perform preventive refresh more aggressively and cause larger performance overheads.
To reduce this overhead without sacrificing reliability, security, and safety, our goal is to reduce time spent for preventive refreshes and understand this reduced time's impact on RowHammer. To this end, we present the first rigorous experimental study on the interactions between data retention time, refresh, and RowHammer characteristics in real DRAM chips. We test 388 DDR4 DRAM chips from three major manufacturers and observe that a preventive refresh operation's latency can be significantly reduced (by 64%) at the expense of requiring slightly more (by 0.54%) preventive refresh operations. To leverage this observation, we propose Partial Charge Restoration for Aggressive Mitigation (PaCRAM), a memory controller-based low-cost mechanism that dynamically tunes the refresh latency and adjusts the aggressiveness of existing RowHammer solutions. PaCRAM significantly improves system performance (energy efficiency) by reducing the overhead induced by five RowHammer solutions by 18.95% (14.59%), 12.28% (11.56%), 2.07% (1.15%), 2.56% (2.18%), and 5.37% (4.50%), on average.