Memoria de computadora

La invención del transistor de efecto de campo de óxido metálico-semiconductor ( MOSFET ) permitió el uso práctico de transistores de óxido metálico-semiconductor (MOS) como elementos de almacenamiento de celdas de memoria . La memoria MOS fue desarrollada por John Schmidt en Fairchild Semiconductor en 1964. ^{[ 12 ]} Además de un mayor rendimiento, la memoria semiconductora MOS era más barata y consumía menos energía que la memoria de núcleo magnético. ^{[ 13 ]} En 1965, J. Wood y R. Ball del Royal Radar Establishment propusieron sistemas de almacenamiento digital que utilizan celdas de memoria CMOS (MOS complementario), además de dispositivos de potencia MOSFET para la fuente de alimentación , acoplamiento cruzado conmutado, interruptores y almacenamiento de línea de retardo . ^{[ 14 ]} 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 . ^{[ 15 ]} La memoria NMOS fue comercializada por IBM a principios de la década de 1970. ^{[ 16 ]} La memoria MOS superó a la memoria de núcleo magnético como la tecnología de memoria dominante a principios de la década de 1970. ^{[ 13 ]}

Los dos tipos principales de memoria de acceso aleatorio volátil (RAM) 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 requiere seis transistores por cada bit de datos. ^{[ 17 ]} 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. ^{[ 18 ] [ 19 ]} Si bien ofrecía un rendimiento mejorado, la DRAM bipolar no podía competir con el precio más bajo de la memoria de núcleo magnético dominante en ese momento. ^{[ 20 ]} La tecnología MOS es la base de la DRAM moderna. En 1966, Robert H. Dennard en el Centro de Investigación Thomas J. Watson de IBM estaba trabajando en la memoria MOS. Mientras examinaba las características de la tecnología MOS, descubrió que era posible construir condensadores , y que almacenar una carga o ninguna carga en el condensador 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 condensador. Esto lo llevó al desarrollo de una celda de memoria DRAM de un solo transistor. ^{[ 17 ]} En 1967, Dennard presentó una patente para una celda de memoria DRAM de un solo transistor basada en la tecnología MOS. ^{[ 21 ]} Esto condujo al primer chip DRAM comercial, el Intel 1103 en octubre de 1970. ^{[ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]} La memoria de acceso aleatorio dinámica síncrona (SDRAM) debutó más tarde con el chip Samsung KM48SL2000 en 1992. ^{[ 25 ] [ 26 ]}

El término memoria también se usa a menudo para referirse a la memoria no volátil, incluyendo la memoria de solo lectura (ROM) hasta la memoria flash moderna . La memoria de solo lectura programable (PROM) fue inventada por Wen Tsing Chow en 1956, mientras trabajaba para la División Arma de la Corporación Americana Bosch Arma. ^{[ 27 ] [ 28 ]} 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 ROM reprogramable, lo que llevó a Dov Frohman de Intel a inventar la EPROM (PROM borrable) en 1971. ^{[ 29 ]} La EEPROM (PROM borrable eléctricamente) fue desarrollada por Yasuo Tarui, Yutaka Hayashi y Kiyoko Naga en el Laboratorio Electrotécnico en 1972. ^{[ 30 ]} La memoria flash fue inventada por Fujio Masuoka en Toshiba a principios de la década de 1980. ^{[ 31 ] [ 32 ]} Masuoka y sus colegas presentaron la invención de la memoria flash NOR en 1984, ^{[ 33 ]} y luego la memoria flash NAND en 1987. ^{[ 34 ]} Toshiba comercializó la memoria flash NAND en 1987. ^{[ 35 ] [ 36 ] [ 37 ]}

Los avances tecnológicos y las economías de escala han hecho posible lo que se denominacomputadoras de memoria muy grande (VLM). ^{[ 37 ]}

La memoria volátil es la memoria de la computadora que requiere energía para mantener la información almacenada. La mayoría de las memorias volátiles de semiconductores modernas son RAM estática (SRAM) o RAM dinámica (DRAM). ^{[ a ]} La DRAM predomina en la memoria de sistemas de computadoras de escritorio. La SRAM se utiliza para la caché de la CPU . La SRAM también se encuentra en pequeños sistemas embebidos que requieren poca memoria.

La SRAM conserva su contenido mientras esté conectada la alimentación y puede usar una interfaz más simple, pero generalmente usa seis transistores por bit . La RAM dinámica es más compleja en cuanto a interfaz y control, necesitando ciclos de actualización regulares para evitar la pérdida de su contenido, pero usa solo un transistor y un condensador por bit, lo que le permite alcanzar densidades mucho mayores y costos por bit mucho más bajos. ^{[ 2 ] [ 23 ] [ 37 ]}

La memoria no volátil puede conservar la información almacenada incluso cuando no recibe alimentación eléctrica. Algunos ejemplos de memoria no volátil son la memoria de solo lectura , la memoria flash , la mayoría de los dispositivos de almacenamiento magnético para ordenadores (por ejemplo , discos duros , disquetes y cintas magnéticas ), los discos ópticos y los primeros métodos de almacenamiento informático, como el tambor magnético , la cinta de papel y las tarjetas perforadas . ^{[ 37 ]}

Entre las tecnologías de memoria no volátil en desarrollo se incluyen la RAM ferroeléctrica , la celda de metalización programable , la RAM magnética de par de transferencia de espín , SONOS , la memoria de acceso aleatorio resistiva , la memoria de pista de carreras , la nano-RAM , 3D XPoint y la memoria de milpiés .

Una tercera categoría de memoria es la semivolátil . Este término se utiliza para describir una memoria que conserva cierta duración no volátil tras la interrupción del suministro eléctrico, pero en última instancia, los datos se pierden. Un objetivo típico al usar una memoria semivolátil es proporcionar el alto rendimiento y la durabilidad propios de las memorias volátiles, a la vez que se ofrecen algunas de las ventajas de las memorias no volátiles.

Por ejemplo, algunos tipos de memoria no volátil se desgastan al escribir. Una celda desgastada presenta mayor volatilidad, pero sigue funcionando. Por lo tanto, las ubicaciones de datos que se escriben con frecuencia pueden dirigirse a utilizar circuitos desgastados. Mientras la ubicación se actualice dentro de un tiempo de retención conocido, los datos permanecen válidos. Tras un período sin actualización, el valor se copia a un circuito menos desgastado con mayor tiempo de retención. Escribir primero en el área desgastada permite una alta velocidad de escritura, evitando al mismo tiempo el desgaste de los circuitos no desgastados. ^{[ 38 ]}

Como segundo ejemplo, una STT-RAM puede hacerse no volátil mediante la construcción de celdas grandes, pero esto aumenta el costo por bit y los requisitos de energía, y reduce la velocidad de escritura. El uso de celdas pequeñas mejora el costo, la energía y la velocidad, pero da lugar a un comportamiento semivolátil. En algunas aplicaciones, la mayor volatilidad puede gestionarse para proporcionar muchas de las ventajas de una memoria no volátil, por ejemplo, interrumpiendo la alimentación pero forzando una reactivación antes de que se pierdan los datos; o almacenando en caché datos de solo lectura y descartando los datos almacenados si el tiempo de apagado supera el umbral de no volatilidad. ^{[ 39 ]}

El término semivolátil también se utiliza para describir el comportamiento semivolátil de memorias construidas a partir de otros tipos de memoria, como la nvSRAM , que combina SRAM y una memoria no volátil en el mismo chip . En este caso, una señal externa copia datos de la memoria volátil a la no volátil, pero si se interrumpe el suministro eléctrico antes de que se complete la copia, los datos se pierden. Otro ejemplo es la RAM con respaldo de batería , que utiliza una batería externa para alimentar el dispositivo de memoria en caso de un corte de energía. Si la alimentación se interrumpe durante un período prolongado, la batería puede agotarse, lo que provoca la pérdida de datos. ^{[ 37 ]}

La gestión inadecuada de la memoria es una causa común de errores y vulnerabilidades de seguridad, incluidos los siguientes tipos:

• Se produce una fuga de memoria cuando un programa solicita memoria al sistema operativo y nunca la libera una vez que termina de usarla. Un programa con este error requerirá gradualmente más y más memoria hasta que falle al agotarse la memoria del sistema operativo.
• Se produce un error de segmentación cuando un programa intenta acceder a una zona de memoria a la que no tiene permiso. Generalmente, el sistema operativo finaliza la ejecución de dicho programa.
• Un desbordamiento de búfer ocurre cuando un programa escribe datos hasta el final del espacio asignado y luego continúa escribiendo datos más allá de este límite, en memoria que ha sido asignada para otros fines. Esto puede provocar un comportamiento errático del programa, incluyendo errores de acceso a memoria, resultados incorrectos, un fallo del sistema o una brecha de seguridad. Por lo tanto, constituyen la base de muchas vulnerabilidades de software y pueden ser explotadas con fines maliciosos.

La memoria virtual es un sistema donde la memoria física es administrada por el sistema operativo, generalmente con la ayuda de una unidad de administración de memoria (RAM) , que forma parte de muchas CPU modernas . Permite el uso de múltiples tipos de memoria. Por ejemplo, algunos datos pueden almacenarse en la RAM mientras que otros se almacenan en un disco duro (por ejemplo, en un archivo de intercambio ), funcionando como una extensión de la jerarquía de caché . Esto ofrece varias ventajas. Los programadores ya no tienen que preocuparse por dónde se almacenan físicamente sus datos ni si el ordenador del usuario tendrá suficiente memoria. El sistema operativo colocará los datos que se utilizan activamente en la RAM, que es mucho más rápida que los discos duros. Cuando la cantidad de RAM no es suficiente para ejecutar todos los programas actuales, puede darse una situación en la que el ordenador dedique más tiempo a transferir datos de la RAM al disco y viceversa que a realizar tareas; esto se conoce como thrashing .

La memoria protegida es un sistema donde a cada programa se le asigna un área de memoria que puede utilizar, impidiendo que acceda a zonas fuera de ese rango. Si el sistema operativo detecta que un programa ha intentado modificar memoria que no le pertenece, el programa se termina (o se restringe o redirige). De esta forma, solo el programa que causó el problema falla, y los demás programas no se ven afectados por el comportamiento anómalo (ya sea accidental o intencional). El uso de memoria protegida mejora considerablemente la fiabilidad y la seguridad de un sistema informático.

Sin memoria protegida, es posible que un error en un programa altere la memoria utilizada por otro. Esto provocará que dicho programa se ejecute con memoria corrupta, con resultados impredecibles. Si la memoria del sistema operativo se corrompe, todo el sistema informático puede fallar y requerir un reinicio . En ocasiones, los programas alteran intencionadamente la memoria utilizada por otros programas. Esto lo hacen los virus y el malware para tomar el control de los ordenadores. También puede ser utilizado de forma inofensiva por programas útiles destinados a modificar otros programas, como los depuradores , por ejemplo, para insertar puntos de interrupción o ganchos.