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Articulo de referencia

Memoria de semiconductores

La memoria semiconductora es un dispositivo electrónico semiconductor digital utilizado para el almacenamiento de datos digitales , como la memoria de la computadora . Generalme...

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La memoria semiconductora es un dispositivo electrónico semiconductor digital utilizado para el almacenamiento de datos digitales , como la memoria de la computadora . Generalmente se refiere a dispositivos en los que los datos se almacenan dentro de celdas de memoria de metal-óxido-semiconductor (MOS) en un chip de memoria de circuito integrado de silicio . [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] Hay numerosos tipos diferentes que utilizan diferentes tecnologías de semiconductores. Los dos tipos principales de memoria de acceso aleatorio (RAM) son la RAM estática (SRAM), que utiliza varios transistores por celda de memoria, y la RAM dinámica (DRAM), que utiliza un transistor y un condensador MOS por celda. La memoria no volátil (como EPROM , EEPROM y memoria flash ) utiliza celdas de memoria de puerta flotante , que consisten en un solo transistor de puerta flotante por celda.

La mayoría de los tipos de memoria semiconductora tienen la propiedad de acceso aleatorio , [ 4 ] lo que significa que se tarda el mismo tiempo en acceder a cualquier ubicación de memoria, por lo que los datos se pueden acceder de manera eficiente en cualquier orden aleatorio. [ 5 ] Esto contrasta con los medios de almacenamiento de datos como los CD , que leen y escriben datos consecutivamente y, por lo tanto, los datos solo se pueden acceder en la misma secuencia en que se escribieron. La memoria semiconductora también tiene tiempos de acceso mucho más rápidos que otros tipos de almacenamiento de datos; un byte de datos se puede escribir o leer de la memoria semiconductora en unos pocos nanosegundos , mientras que el tiempo de acceso para el almacenamiento rotativo como los discos duros está en el rango de los milisegundos. Por estas razones, se utiliza para el almacenamiento primario , para guardar el programa y los datos con los que la computadora está trabajando actualmente, entre otros usos.

A partir de 2017Las ventas de chips de memoria semiconductores ascienden a 124 mil millones de dólares anuales, lo que representa el 30 % de la industria de semiconductores . [ 6 ] Los registros de desplazamiento , los registros del procesador , los búferes de datos y otros pequeños registros digitales que no tienen un mecanismo de decodificación de direcciones de memoria generalmente no se denominan memoria , aunque también almacenan datos digitales.

Descripción

En un chip de memoria semiconductor, cada bit de datos binarios se almacena en un pequeño circuito llamado celda de memoria, que consta de uno a varios transistores . Las celdas de memoria se disponen en matrices rectangulares sobre la superficie del chip. Las celdas de memoria de 1 bit se agrupan en pequeñas unidades llamadas "palabras", a las que se accede conjuntamente como una única dirección de memoria. La memoria se fabrica con una longitud de palabra que suele ser una potencia de dos, normalmente N = 1, 2, 4 u 8 bits.

Se accede a los datos mediante un número binario llamado dirección de memoria, aplicado a los pines de dirección del chip, que especifica a qué palabra del chip se debe acceder. Si la dirección de memoria consta de M bits, el número de direcciones en el chip es 2 M , cada una con una palabra de N bits. En consecuencia, la cantidad de datos almacenados en cada chip es N 2 M bits. [ 5 ] La capacidad de almacenamiento de memoria para M líneas de dirección viene dada por 2 M , que suele ser una potencia de dos: 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256 y 512, y se mide en kilobits , megabits , gigabits o terabits , etc. A partir de 2014Los chips de memoria semiconductores más grandes almacenan unos pocos gigabits de datos, pero constantemente se desarrollan memorias de mayor capacidad. Al combinar varios circuitos integrados, la memoria se puede organizar en una longitud de palabra y/o espacio de direcciones mayor que el que ofrece cada chip, a menudo, aunque no necesariamente, una potencia de dos . [ 5 ]

Las dos operaciones básicas que realiza un chip de memoria son la lectura , en la que se lee el contenido de una palabra de memoria (sin deshacer los datos), y la escritura , en la que se almacenan datos en una palabra de memoria, reemplazando cualquier dato que estuviera almacenado previamente. Para aumentar la velocidad de transferencia de datos, en algunos de los tipos más recientes de chips de memoria, como la DDR SDRAM, se accede a varias palabras con cada operación de lectura o escritura.

Además de los chips de memoria independientes, los bloques de memoria semiconductora son componentes esenciales de muchos circuitos integrados de computadoras y procesamiento de datos. Por ejemplo, los chips microprocesadores que hacen funcionar las computadoras contienen memoria caché para almacenar instrucciones pendientes de ejecución.

Tipos

Memoria volátil

Los chips de memoria RAM para ordenadores suelen venir en módulos de memoria extraíbles como estos. Se puede añadir memoria adicional al ordenador conectando módulos adicionales.

La memoria volátil pierde los datos almacenados cuando se apaga el chip de memoria. Sin embargo, puede ser más rápida y menos costosa que la memoria no volátil. Este tipo se utiliza para la memoria principal en la mayoría de las computadoras, ya que los datos se almacenan en el disco duro mientras la computadora está apagada. Los tipos principales son: [ 7 ] [ 8 ]

RAM ( memoria de acceso aleatorio ) : este término se ha convertido en un término genérico para cualquier memoria semiconductora que se puede escribir y leer, a diferencia de la ROM (que se describe más adelante) , que solo se puede leer. Toda la memoria semiconductora, no solo la RAM, tiene la propiedad de acceso aleatorio .

  • DRAM ( memoria de acceso aleatorio dinámico ) : utiliza celdas de memoria compuestas por un MOSFET (transistor de efecto de campo MOS) y un condensador MOS para almacenar cada bit. Este tipo de RAM es la más económica y de mayor densidad, por lo que se utiliza como memoria principal en los ordenadores. Sin embargo, la carga eléctrica que almacena los datos en las celdas de memoria se disipa lentamente, por lo que estas deben actualizarse (reescribirse) periódicamente, lo que requiere circuitos adicionales. El proceso de actualización lo gestiona internamente el ordenador y es transparente para el usuario.
    • DRAM FPM ( Fast Page Mode DRAM ) : un tipo antiguo de DRAM asíncrona que mejoraba los tipos anteriores al permitir accesos repetidos a una sola "página" de memoria a mayor velocidad. Se utilizó a mediados de la década de 1990.
    • EDO DRAM ( Extended data out DRAM ) : un tipo antiguo de DRAM asíncrona que ofrecía un tiempo de acceso más rápido que los tipos anteriores, ya que podía iniciar un nuevo acceso a la memoria mientras aún se transferían los datos del acceso anterior. Se utilizó a finales de la década de 1990.
    • VRAM ( memoria de acceso aleatorio de vídeo ) : un tipo antiguo de memoria de doble puerto que se utilizaba para los búferes de fotogramas de los adaptadores de vídeo (tarjetas de vídeo).
    • SDRAM ( memoria de acceso aleatorio dinámica síncrona ) : Este chip incorporaba un circuito adicional a la DRAM que sincronizaba todas las operaciones con una señal de reloj añadida al bus de memoria del ordenador . Esto permitía al chip procesar múltiples solicitudes de memoria simultáneamente mediante la técnica de segmentación (pipelining) , lo que aumentaba su velocidad. Los datos del chip también se dividían en bancos , cada uno de los cuales podía realizar una operación de memoria simultáneamente. Este tipo de memoria se convirtió en el tipo de memoria dominante para ordenadores alrededor del año 2000.
      • DDR SDRAM ( SDRAM de doble velocidad de datos ) : esto podría transferir el doble de datos (dos palabras consecutivas) en cada ciclo de reloj mediante el doble bombeo (transfiriendo datos tanto en el flanco ascendente como en el descendente del pulso de reloj). Las extensiones de esta idea son la técnica actual (2012) que se utiliza para aumentar la velocidad de acceso a la memoria y el rendimiento. Dado que está resultando difícil aumentar aún más la velocidad de reloj interna de los chips de memoria, estos chips aumentan la velocidad de transferencia transfiriendo más palabras de datos en cada ciclo de reloj.
      • RDRAM ( Rambus DRAM ) : un estándar alternativo de memoria de doble velocidad de datos que se utilizó en algunos sistemas Intel, pero que finalmente fue superado por la DDR SDRAM.
      • SGRAM ( Memoria RAM gráfica síncrona ) : un tipo especializado de SDRAM diseñada para adaptadores gráficos (tarjetas de video). Puede realizar operaciones relacionadas con gráficos, como enmascaramiento de bits y escritura de bloques, y puede abrir dos páginas de memoria simultáneamente.
      • HBM ( High Bandwidth Memory ) : una evolución de la SDRAM utilizada en tarjetas gráficas que permite transferir datos a mayor velocidad. Consiste en múltiples chips de memoria apilados uno encima del otro, con un bus de datos más ancho.
    • PSRAM ( RAM pseudoestática ) : Se trata de una DRAM que incorpora circuitos para actualizar la memoria en el chip, de modo que funciona como una SRAM, lo que permite apagar el controlador de memoria externo para ahorrar energía. Se utiliza en algunas consolas de videojuegos, como la Wii .
  • SRAM ( memoria estática de acceso aleatorio ) : almacena cada bit de datos en un circuito llamado flip-flop , compuesto por entre 4 y 6 transistores. La SRAM tiene menor densidad y es más cara por bit que la DRAM, pero es más rápida y no requiere actualización de memoria . Se utiliza para memorias caché pequeñas en ordenadores.
  • CAM ( Memoria direccionable por contenido ) : Este es un tipo especializado en el que, en lugar de acceder a los datos mediante una dirección, se aplica una palabra de datos y la memoria devuelve la ubicación si la palabra está almacenada en ella. Se incorpora principalmente en otros chips, como los microprocesadores, donde se utiliza como memoria caché .

Memoria no volátil

La memoria no volátil (NVM) conserva los datos almacenados en ella durante los períodos en que se interrumpe el suministro eléctrico al chip. Por lo tanto, se utiliza para la memoria de dispositivos portátiles que no tienen discos y para tarjetas de memoria extraíbles , entre otros usos. Los principales tipos son: [ 7 ] [ 8 ]

  • Memoria ROM ( Memoria de solo lectura ) : Está diseñada para almacenar datos de forma permanente y, en condiciones normales, solo se lee de ella, no se escribe. Aunque se puede escribir en muchos tipos de memoria, el proceso de escritura es lento y, por lo general, todos los datos del chip deben reescribirse a la vez. Se suele utilizar para almacenar software del sistema que debe ser accesible inmediatamente para el ordenador, como el programa BIOS que inicia el ordenador, y el software ( microcódigo ) para dispositivos portátiles y ordenadores integrados como los microcontroladores .
    • MROM ( ROM programada por máscara ) – En este tipo, los datos se programan en el chip durante su fabricación, por lo que solo se utiliza para grandes series de producción. No se puede reescribir con nuevos datos.
    • PROM ( Memoria de solo lectura programable ) : En este tipo de memoria, los datos se escriben en un chip PROM existente antes de su instalación en el circuito, pero solo se puede escribir una vez. Los datos se escriben conectando el chip a un dispositivo llamado programador de PROM.
    • EPROM ( memoria de solo lectura programable y borrable o UVEPROM) : en este tipo de memoria, los datos se pueden reescribir extrayendo el chip de la placa de circuito impreso, exponiéndolo a luz ultravioleta para borrar los datos existentes y conectándolo a un programador de PROM. El encapsulado del circuito integrado tiene una pequeña ventana transparente en la parte superior que permite el paso de la luz ultravioleta. Se suele utilizar para prototipos y dispositivos de producción en serie, donde el programa puede requerir modificaciones en fábrica.
      EPROM de 4M, que muestra la ventana transparente utilizada para borrar el chip.
    • EEPROM ( Memoria de solo lectura programable y borrable eléctricamente ) : En este tipo de memoria, los datos se pueden reescribir eléctricamente mientras el chip está en la placa de circuito impreso, pero el proceso de escritura es lento. Este tipo se utiliza para almacenar el firmware , el microcódigo de bajo nivel que controla los dispositivos de hardware, como el programa BIOS en la mayoría de las computadoras, para que pueda actualizarse.
  • NVRAM ( Memoria de acceso aleatorio no volátil )
  • Memoria flash : en este tipo, la velocidad de escritura es intermedia entre la de las memorias EEPROM y la de la memoria RAM; se puede escribir en ella, pero no es lo suficientemente rápida como para funcionar como memoria principal. Se suele utilizar como una versión semiconductora de un disco duro para almacenar archivos. Se emplea en dispositivos portátiles como PDA, unidades flash USB y tarjetas de memoria extraíbles utilizadas en cámaras digitales y teléfonos móviles .

Historia

La memoria de las primeras computadoras consistía en memoria de núcleo magnético , ya que los primeros semiconductores electrónicos de estado sólido , incluidos transistores como el transistor de unión bipolar (BJT), no eran prácticos para su uso como elementos de almacenamiento digital ( celdas de memoria ). La primera memoria semiconductora data de principios de la década de 1960, con memoria bipolar, que utilizaba transistores bipolares. [ 9 ] La memoria semiconductora bipolar hecha de dispositivos discretos fue enviada por primera vez por Texas Instruments a la Fuerza Aérea de los Estados Unidos en 1961. Ese mismo año, el concepto de memoria de estado sólido en un chip de circuito integrado (CI) fue propuesto por el ingeniero de aplicaciones Bob Norman en Fairchild Semiconductor . [ 10 ] El primer CI de memoria de un solo chip fue el BJT de 16 bits IBM SP95 fabricado en diciembre de 1965, diseñado por Paul Castrucci. [ 9 ] [ 10 ] Si bien la memoria bipolar ofrecía un rendimiento mejorado sobre la memoria de núcleo magnético, no podía competir con el menor precio de la memoria de núcleo magnético, que siguió siendo dominante hasta finales de la década de 1960. [ 9 ] La memoria bipolar no logró reemplazar la memoria de núcleo magnético porque los circuitos de biestables bipolares eran demasiado grandes y costosos. [ 11 ]

memoria MOS

La llegada del transistor de efecto de campo de óxido metálico-semiconductor (MOSFET), inventado por Mohamed M. Atalla y Dawon Kahng en Bell Labs en 1959, [ 12 ] permitió el uso práctico de transistores de óxido metálico-semiconductor (MOS) como elementos de almacenamiento de celdas de memoria , una función que anteriormente desempeñaban los núcleos magnéticos en la memoria de las computadoras . La memoria MOS fue desarrollada por John Schmidt en Fairchild Semiconductor en 1964. [ 13 ] [ 14 ] Además de un mayor rendimiento, la memoria MOS era más barata y consumía menos energía que la memoria de núcleo magnético. [ 13 ] Esto llevó a que los MOSFET finalmente reemplazaran a los núcleos magnéticos como elementos de almacenamiento estándar en la memoria de las computadoras.

En 1965, J. Wood y R. Ball del Royal Radar Establishment propusieron sistemas de almacenamiento digital que utilizan celdas de memoria CMOS (MOS complementarias), además de dispositivos de potencia MOSFET para la fuente de alimentación , acoplamiento cruzado conmutado, interruptores y almacenamiento de línea de retardo . [ 15 ] El desarrollo de la tecnología de circuito integrado MOS de puerta de silicio (MOS IC) por Federico Faggin en Fairchild en 1968 permitió la producción de chips de memoria MOS . [ 16 ] La memoria NMOS fue comercializada por IBM a principios de la década de 1970. [ 17 ] La memoria MOS superó a la memoria de núcleo magnético como la tecnología de memoria dominante a principios de la década de 1970. [ 13 ]

El término "memoria", cuando se usa en referencia a las computadoras, se refiere con mayor frecuencia a la memoria de acceso aleatorio volátil (RAM). Los dos tipos principales de RAM volátil son la memoria de acceso aleatorio estática (SRAM) y la memoria de acceso aleatorio dinámica (DRAM). La SRAM bipolar fue inventada por Robert Norman en Fairchild Semiconductor en 1963, [ 9 ] seguida por el desarrollo de la SRAM MOS por John Schmidt en Fairchild en 1964. [ 13 ] La SRAM se convirtió en una alternativa a la memoria de núcleo magnético, pero requería seis transistores MOS por cada bit de datos. [ 18 ] El uso comercial de la SRAM comenzó en 1965, cuando IBM presentó su chip SRAM SP95 para el System/360 Modelo 95. [ 9 ]

Toshiba introdujo celdas de memoria DRAM bipolares para su calculadora electrónica Toscal BC-1411 en 1965. [ 19 ] [ 20 ] Si bien ofrecía un rendimiento mejorado con respecto a la memoria de núcleo magnético, la DRAM bipolar no podía competir con el precio más bajo de la memoria de núcleo magnético, que entonces era la dominante. [ 21 ] La tecnología MOS es la base de la DRAM moderna. En 1966, el Dr. Robert H. Dennard en el Centro de Investigación Thomas J. Watson de IBM estaba trabajando en la memoria MOS. Al examinar las características de la tecnología MOS, descubrió que era capaz de construir capacitores , y que almacenar una carga o ninguna carga en el capacitor MOS podía representar el 1 y el 0 de un bit, mientras que el transistor MOS podía controlar la escritura de la carga en el capacitor. Esto lo llevó al desarrollo de una celda de memoria DRAM de un solo transistor. [ 18 ] En 1967, Dennard presentó una patente bajo IBM para una celda de memoria DRAM de un solo transistor, basada en la tecnología MOS. [ 22 ] Esto condujo al primer chip DRAM comercial, el Intel 1103 , en octubre de 1970. [ 23 ] [ 24 ] [ 25 ] La memoria de acceso aleatorio dinámica síncrona (SDRAM) debutó más tarde con el chip Samsung KM48SL2000 en 1992. [ 26 ] [ 27 ]

El término «memoria» también se usa a menudo para referirse a la memoria no volátil , específicamente a la memoria flash . Tiene su origen en la memoria de solo lectura (ROM). La memoria de solo lectura programable (PROM) fue inventada por Wen Tsing Chow en 1956, mientras trabajaba para la División Arma de la corporación estadounidense Bosch Arma. [ 28 ] [ 29 ] En 1967, Dawon Kahng y Simon Sze de Bell Labs propusieron que la puerta flotante de un dispositivo semiconductor MOS podría usarse para la celda de una memoria de solo lectura reprogramable (ROM), lo que llevó a Dov Frohman de Intel a inventar la EPROM (PROM borrable) en 1971. [ 30 ] La EEPROM (PROM borrable eléctricamente) fue desarrollada por Yasuo Tarui, Yutaka Hayashi y Kiyoko Naga en el Laboratorio Electrotécnico del Ministerio de Comercio Internacional e Industria (MITI) de Japón en 1972. [ 31 ] La memoria flash fue inventada por Fujio Masuoka en Toshiba a principios de la década de 1980. [ 32 ] [ 33 ] Masuoka y sus colegas presentaron la invención de la memoria flash NOR en 1984, [ 34 ] y luego la memoria flash NAND en 1987. [ 35 ] Toshiba comercializó la memoria flash NAND en 1987. [ 36 ] [ 37 ]

Aplicaciones

Véase también

Referencias

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Fuentes

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