一、比特翻转和 ECC 内存
当我们的计算机运行时，CPU总是需要与内存交换数据。然而，在交互过程中，由于周围电磁场的干扰，有可能发生比特翻转。
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据统计，一根8GB的记忆棒每小时平均会出现1-5个这样的错误。
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当我们使用个人电脑进行工作时，内存主要用于处理图片、视频等数据。即使内存中发生位翻转，也可能只影响一个像素值，很难感觉出来，影响不大。即使关键系统代码中确实出现了位翻转并导致运行问题，也没什么大不了的，可以通过重启来解决。
但在服务器应用中，通常处理的是非常重要的计算，可能是订单交易，也可能是存款。另外，服务器往往要连续运行数月甚至数年，而且没有办法通过重启来解决问题。因此，服务器对位翻转错误的容忍度较低。需要一种能够在一定程度上解决比特翻转问题的影响的技术方案。
ECC就是这样一种内存技术。它的英文全称是“Error Checking and Correcting”，对应的中文名称叫做“Error Checking and Correcting”。从名字就可以看出，ECC不仅可以发现内存中的错误，还可以纠正错误。
与不采用ECC技术的个人电脑内存相比，所有内存颗粒都可以用来存储数据。 ECC存储器中的每64位数据需要额外的8位数据作为校验位以帮助检测或纠正错误。
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这样，我们就得到了开头问题的答案。普通记忆棒中的所有粒子都是用来存储真实数据的。除了数据之外，ECC存储器还需要存储8位校验位。
普通1R*8内存中，64/8=8个颗粒就足够了。但ECC内存中的一次IO需要传输72位数据，因此总共需要72/8=9个内存颗粒。
二、ECC 纠错原理
那么为什么ECC内存可以通过额外的8位冗余校验数据来检测和纠正错误呢？我们先来看最简单的奇偶校验。
2.1 简单的奇偶校验
可以使用简单的奇偶校验来检测单位翻转。请注意，关键关键字是“发现”和“单比特”。该算法只能用于发现，不能用于纠错。并且仅对单位翻转有效，无法处理两位同时翻转的情况。
原理是在要监控的数据前面添加1位数据，保证整个二进制数组（包括校验位）中1的个数为偶数。
例如，下面是一个8位二进制数组。
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对于情况1：假设原始数据中已经有偶数个1，则将校验位设置为0，使得1的总数为偶数个。
对于情况2：假设原始数据中1的个数为奇数，则需要将校验位设置为1，以保证整个数组中1的个数为偶数。由于校验位不是真实的用户数据，因此不影响数据的正确读取。
一般来说，在添加了一位校验位的二进制数组中，在正确的情况下，1的个数总是偶数。
了解了原理之后，你也会知道前面提到的简单奇偶校验的两个局限性。
首先，我们只能发现出了问题，但不知道错误发生在哪里，因此无法纠正。其次，它只能检测单位翻转，而不能对两位翻转执行任何操作。
2.2 海明码介绍
为了解决纠错和两次数据错误的问题，Richard Hamming 在简单奇偶校验算法的基础上于1950 年提出了汉明校验码算法。理查德·汉明(Richard Hamming) 本人也因该算法于1968 年获得了图灵奖。尽管已经过去了70多年，但它仍然广泛应用于服务器的ECC内存中。
首先要说的是汉明码有局限性。对于以下情况：
如果64位数据中发生单比特翻转，汉明码不仅可以检测到错误，还可以找到错误位置并进行纠正。汉明码仅在发生两位翻转时才能检测到错误。但无法定位具体位置，也无法纠正错误。只能通过重传的方式解决。如果发生3 次或更多位翻转，则汉明码就没用了。实际上，内存中64 位数据中的3 位或更多位同时出现的概率非常非常低。另外，内存的运行速度必须足够快。当汉明码在硬件中实现时，性能损失大约只有2% - 3%。因此，尽管汉明码无法应对超过3位的位翻转，但它仍然广泛应用于服务器端内存的错误检查和纠正。由于应用场景不同，SSD硬盘采用了支持多位翻转校验和纠错的LDPC码。
由于基于汉明码的ECC内存无法处理3位或更多位的翻转，因此安全对策领域的一个特殊方向是研究如何在内存中故意创建3位翻转来实现攻击行为。以及如何对抗3 位翻转攻击。
2.3 海明码算法设计
汉明校验码算法设计的核心思想是多设置几个校验位，然后利用交叉验证来定位错误位。
汉明码包含64位用户数据和8位冗余校验码，因此总共72位数据。这个72位数据可以看作是一个9行8列的二维矩阵。
第一级校验是矩阵左上角的位校验位，用于实现整个矩阵的奇偶校验。
第二级验证是列分组验证。在列上，使用3种方法将8列分为不同的二分组。每组都设计有一个校验位，实现整个组的奇偶校验。
第一种列分组方法是将第2、4、6、8列视为一组，并在该组中安排一位作为校验码
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第二种列分组方法是将第3、4、7、8列视为一组，在该组中安排一位作为校验码
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第三列分组方法是将第5、6、7、8列视为一组，在该组中安排一位作为校验码
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这样，这三种分组方法交织在一起，并且每种方法都包含另一种分组的部分列。
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第三级是行分组验证。由于行比列多一组，因此使用4 组进行简单奇偶校验。
第一种行分组方法是将第2、4、6、8行视为一组，并在该组中安排一个位作为校验码
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第二种行分组方法是将第2、3、7、8行视为一组，在该组中安排一位作为校验码
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第三行分组方法是将第5、6、7、8行视为一组，在该组中安排一位作为校验码
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第三行分组方法是将剩下的第9行单独视为一组，并在该组中也安排一位作为校验码
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2.4 海明码单比特翻转纠错
接下来我们看一下海明算法是如何实现单位翻转的发现和纠错的。我们假设这些数据中发生了一位翻转。更具体地说，例如，用户数据位No.30是错误的。
此时，检查第一层的所有比特就可以检测到比特错误的发生。但目前尚不清楚事情发生在哪里。
然后使用二级列分组验证。
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当分别验证三个列组时，发现第一个列组方法发现错误，第二个列组方法验证通过，第三个列组方法发现错误。根据各组之间的包含关系，可以推断错误发生在第6列。
然后进行第三级行分组验证。
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第一行群组验证通过，第二行群组验证通过，第三行群组验证失败，第四行群组验证通过。然后根据行组的交集关系，可以推断出错误数据发生在第5行。
结合上述列分组的验证结果，可以推断第5行第6列的数据是错误的。由于二进制数据只有两个值：0和1，因此如果发现错误可以纠正。这就是汉明码进行单比特错误检查和纠错的实现原理。
2.4 海明码两比特错误发现
汉明码可以实现对单位错误的纠错，但对于同时出现的两位错误，只能检测出错误，无法定位错误位置，因此无法纠错实现了。
我们假设错误发生在用户数据的第29位和第30位。那么既然两个错误同时发生，那么整个矩阵中的验证一定找不到，验证通过。
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我们再看一下列验证结果。
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第一组发现错误，第二组验证正确，第三组验证正确（简单的奇偶校验无法检测到两位错误），则列组交叉验证得出错误的结论发生在第2列。显然，两位翻转的错误导致列分组检查结论错误。
我们来看看验证结果。
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行分组验证结果全部正确。两位翻转也会导致行奇偶校验失败。
那么1）全矩阵验证的结论是没有错误，2）列分组验证的结论是第2列出现错误，3）行分组验证的结论是没有错误。
三个验证结论不一致，说明出现了错误，但不止一个。
汉明码发现有错误，但无法知道错误的具体位置。如果出现这种情况，那么这次内存IO返回的数据就无效了，重新读取一下就可以了。
需要指出的是，当3 位或更多位错误时，汉明码可能会被误判为正确。但由于64 位中同时出现3 位错误的概率太低，汉明码仍然广泛应用于服务器ECC 内存中。
总结
一开始我们看到了两个内存条，一个有8个黑色颗粒，另一个有9个内存颗粒。这是因为ECC内存除了每次向CPU提供64位用户数据外，还需要额外提供8位数据作为冗余校验位。这些冗余校验位的功能是检测并纠正单位错误。对于两位错误，可以检测到错误，但无法纠正错误。
由于需要额外的8位冗余奇偶校验位，ECC内存的颗粒数量比普通内存要多。对于1R*8内存，ECC内存需要9个颗粒。对于1R*4内存，由于1个内存颗粒的位宽为4，因此还需要2个颗粒。
大家好，服务器ECC内存工作原理相信很多的网友都不是很明白，包括也是一样，不过没有关系，接下来就来为大家分享关于服务器ECC内存工作原理和的一些知识点，大家可以关注收藏，免得下次来找不到哦，下面我们开始吧！
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用户评论
想了解更多关于ECC内存如何工作的知识，来学习一下！
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服务器性能和数据安全都离不开内存，ECC内存真是个好东西。
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一直听说ECC内存重要，不过具体是怎么运作的没太清楚，这篇文章正好可以解答我的疑惑。
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做服务器相关工作的人应该了解一下ECC内存吧？
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学习技术的路上，总有新的知识需要加深理解！
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一篇关于服务器核心组件的文章，肯定很有价值！
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今天刚好学习数据安全方面的内容，这篇文章来得正是时候。
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51CTO文章质量一直不错，相信这篇ECC内存工作原理的文章也值得一读。
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了解了服务器ECC内存的工作原理，才能更好地配置和维护服务器系统。
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ECC内存对保障数据安全起着关键的作用。
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原来ECC内存的运作原理是这样子的！
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服务器知识越来越丰富啦！
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学习过程中积累一些专业技能，在未来会有所帮助。
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掌握了相关的技术知识，才能更好地解决实际问题。
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51CTO的文章总是很深入浅出，很好理解！
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对服务器的了解就从ECC内存开始吧！
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想要成为专业IT工程师，就要不断学习这些基础知识。
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ECC内存这个概念之前不太了解，现在终于明白它是如何工作的。
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技术的世界总是充满着新鲜事物，需要不断探索和学习。
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