CAT-TWO: Counter-based Adaptive Tree, Time Window Optimized for DRAM Row-hammer Prevention

Abstract

In modern DRAM, data is stored as an electrical charge in capacitors. However, capacitors inherently leak charge and lose it entirely over a certain period of time, which limits the lifespan of the data stored in DRAM. To overcome this shortcoming, the charge in the capacitors is periodically refreshed to retain data integrity. Recently, it has been discovered that repeated activations (ACTs) to DRAM rows can expedite the charge leakage in nearby rows. Rowhammering attacks capitalize on this phenomenon to repeatedly activate rows and compromize DRAM integrity to nearby rows before they are refreshed. Several studies propose to prevent row-hammering by counting the number of activates to a DRAM row and refreshing the corresponding victim rows before the count surpasses a row-hammer threshold. However, these approaches either incur a significant area overhead or a large number of additional activations that could degrade the system performance. Therefore, the main objective of past research has been to guarantee row-hammering protection while reducing the area and performance overhead.

In this paper, we propose CAT-TWO, a time-window-optimized version of the existing Counter-based Adaptive Tree (CAT) scheme for row-hammer prevention, which aims to reduce the area overhead while incurring the same performance overhead as the state-of-the-art prevention scheme. We first reduce the number of refreshes to 2 for a counter that goes over the refresh threshold at the last level by provisioning CAT-TWO with enough levels to reduce the rows attached to the counter to a single row. We then ensure that the victim rows are always refreshed at the last level of the tree without counter overflow by configuring the threshold and the number of CAT-TWO counters based on the fact that the maximum number of ACTs is limited within the refresh window. We further reduce the size and latency of CAT-TWO by applying high-radix rank-level CAT-TWO with multiple tree roots. We evaluated the overhead and performance of CAT-TWO, with results indicating that CAT-TWO incurs less than 0.7% energy overhead on a baseline DDR4 DRAM device, and generates less than 0.03% additional ACTs to refresh victim rows in the worst case, which hardly affects system performance.

DRAM에는 데이터가 전하의 형태로 캐패시터에 저장된다. 하지만, 캐패시터들은 전하가 새고 완전히 잃어버리는 특성이 있어, DRAM에 저장되어 있는 데이터의 수명이 제한되어있다. 따라서, DRAM의 데이터를 보존하기 위해서 캐패시터에 저장되어 있는 전하는 특정 주기마다 다시 채워진다. 하지만 최근에 DRAM row들이 반복되어 activation (ACT) 들을 받게되면, 인접한 DRAM row들의 전하 누수가 가속되는 현상이 발견되었다. Row-hammering은 이 현상을 악용하는 공격으로서, DRAM row를 집중적으로 activate할 하여 인접 row들의 데이터가 refresh되기 이전에 DRAM 데이터를 회손한다. 이를 해결하기 위해 한 행의 활성화 횟수를 세어, 로우 해머링이 발생하기 이전에 인접한 행들을 refresh하는 보완책들이 제안되었으나, 이들은 넓은 다이 면적이 필요하거나 많은 수의 행들을 ACT해야 되어 시스템 전체 성능을 저하할 수 있다. 따라서 이전 연구들의 주안점은 row-hammering을 방지함과 동시에 필요한 다이면적과 시스템 성능 저하를 최소하하는 것이었다.

이 논문에서는, 기존의 Counter-based Adaptive Tree (CAT) 방법을 Time window를 통해 최적화여 필요한 다이 면적을 줄임과 동시에 기존 row-hammering 보완책과 비슷한 수준의 시스템 성능저하가 발생하는 CAT-TWO를 제안한다. CATTWO는 마지막 레벨의 counter가 refresh threshold를 넘어설 경우 단 2개의 row만 refresh하도록 충분히 많은 레벨들을 CAT-TWO에 두어, 마지막 레벨의 카운터에는 단 하나의 row만이 할당되도록 된다. 또한, CAT-TWO는 refresh window 이내에 ACT가 제한됨을 이용하여 counter overflow가 일어나지 않고 피해자 행이 tree의 마지막 level에서만 refresh됨을 보장한다. 추가적으로 CAT-TWO를 최적화히기 위하여, CAT-TWO의 radix를 증가시키고, root를 늘렸으며, rank 단위로 작동하도록 최적화를 하여 CAT-TWO의 다이 면적를 줄이고 지연시간을 줄였다. 실험과 분석을 통하여 CAT-TWO는 DDR4 DRAM 대비 0.7% 이하의 추가적인 에너지가 필요하고, 최악의 경우 피해자 행들을 보호하기 위해 총 ACT 수가 0.03% 증가하여 전체 시스템에 미비한 영향을 주는 것을 확인하였다.