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Memoria de acceso aleatorio no volátil

La RAM no volátil utiliza diversas tecnologías y formatos, incluido este paquete de circuito integrado alto con batería interna que se utiliza para alimentar su SRAM y conservar...

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La RAM no volátil utiliza diversas tecnologías y formatos, incluido este paquete de circuito integrado alto con batería interna que se utiliza para alimentar su SRAM y conservar el contenido cuando se pierde la alimentación del sistema. [ 1 ]

La memoria de acceso aleatorio no volátil ( NVRAM ) es una memoria de acceso aleatorio que retiene los datos sin necesidad de alimentación eléctrica. Esto contrasta con la memoria de acceso aleatorio dinámica (DRAM) y la memoria de acceso aleatorio estática (SRAM), que conservan los datos solo mientras se les suministra energía, o con las memorias de acceso secuencial , como la cinta magnética , a las que no se puede acceder aleatoriamente, pero que retienen los datos indefinidamente sin alimentación eléctrica.

Los dispositivos de memoria de solo lectura se pueden usar para almacenar el firmware del sistema en sistemas embebidos, como el control del sistema de encendido de un automóvil o un electrodoméstico. También se utilizan para almacenar las instrucciones iniciales del procesador necesarias para arrancar un sistema informático. La memoria de lectura y escritura, como la NVRAM, se puede usar para almacenar constantes de calibración, contraseñas o información de configuración, y puede integrarse en un microcontrolador .

Si la memoria principal de un sistema informático fuera no volátil, se reduciría considerablemente el tiempo necesario para iniciar el sistema tras una interrupción del suministro eléctrico. Los tipos actuales de memoria no volátil de semiconductores presentan limitaciones en cuanto a velocidad (ancho de banda y latencia), densidad de bits, consumo de energía o vida útil que las hacen poco prácticas para la memoria principal. Se está trabajando en el desarrollo de chips de memoria no volátil como memoria principal del sistema, denominada memoria persistente . En 2021 se publicó un estándar para memoria persistente conocido como NVDIMM-P. [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]

Memorias NVRAM antiguas

Algunos de los primeros ordenadores utilizaban tambores magnéticos , que eran no volátiles como consecuencia de su construcción. A finales de la década de 1950, la industria adoptó la memoria de núcleo magnético , que almacenaba datos en la polaridad de pequeños imanes. Dado que los imanes mantenían su estado incluso sin alimentación eléctrica, la memoria de núcleo también era no volátil. Otros tipos de memoria requerían alimentación constante para conservar los datos, como los biestables de tubo de vacío o de estado sólido , los tubos Williams y la memoria semiconductora (RAM estática o dinámica).

Los avances en la fabricación de semiconductores en la década de 1970 dieron lugar a una nueva generación de memorias de estado sólido que las memorias de núcleo magnético no podían igualar en coste ni densidad. Hoy en día, la RAM dinámica constituye la gran mayoría de la memoria principal de un ordenador típico . Muchos sistemas requieren al menos algo de memoria no volátil. Los ordenadores de sobremesa requieren el almacenamiento permanente de las instrucciones necesarias para cargar el sistema operativo. Los sistemas embebidos, como el ordenador de control del motor de un automóvil, deben conservar sus instrucciones cuando se interrumpe el suministro eléctrico. Muchos sistemas utilizaban una combinación de RAM y algún tipo de ROM para estas funciones.

Los circuitos integrados ROM personalizados fueron una solución. El contenido de la memoria se almacenaba como un patrón de la última máscara utilizada para fabricar el circuito integrado, por lo que no se podía modificar una vez finalizado.

La memoria PROM mejoró este diseño, permitiendo que el usuario final pudiera escribir el chip eléctricamente. La PROM consta de una serie de diodos que inicialmente están configurados con un único valor, por ejemplo, 1. Al aplicar una potencia superior a la normal, se puede quemar un diodo específico ( como un fusible ), estableciendo así permanentemente ese bit en 0. La PROM facilitó la creación de prototipos y la fabricación de bajo volumen. Muchos fabricantes de semiconductores ofrecían una versión PROM de su ROM de máscara para que el firmware de desarrollo pudiera probarse antes de solicitar una ROM de máscara.

Actualmente, la forma más conocida de memoria NV-RAM y EEPROM es la memoria flash . Algunas desventajas de la memoria flash incluyen la necesidad de escribirla en bloques más grandes de los que muchos ordenadores pueden direccionar automáticamente, y su vida útil relativamente limitada debido a su número finito de ciclos de escritura-borrado (a enero de 2010, la mayoría de los productos flash de consumo solo soportaban alrededor de 100 000 reescrituras antes de que la memoria comenzara a deteriorarse) . Otra desventaja son las limitaciones de rendimiento que impiden que la memoria flash iguale los tiempos de respuesta y, en algunos casos, la direccionabilidad aleatoria que ofrecen las formas tradicionales de RAM. Varias tecnologías más recientes están intentando reemplazar la memoria flash en ciertas funciones, e incluso algunas afirman ser una memoria verdaderamente universal , que ofrece el rendimiento de los mejores dispositivos SRAM con la no volatilidad de la memoria flash. A junio de 2018, estas alternativas aún no se habían generalizado.

Quienes requerían un rendimiento similar al de la RAM y una memoria no volátil solían usar dispositivos RAM convencionales y una batería de respaldo. Por ejemplo, los IBM PC y sus sucesores, comenzando con el IBM PC AT, usaban memoria BIOS no volátil , a menudo llamada CMOS RAM o memoria RAM de parámetros , y esta era una solución común en otros sistemas de microcomputadoras primitivos como el Apple Macintosh original , que usaba una pequeña cantidad de memoria alimentada por una batería para almacenar información de configuración básica, como el volumen de arranque seleccionado. (El IBM PC y el PC XT originales utilizaban interruptores DIP para representar hasta 24 bits de datos de configuración del sistema; los interruptores DIP o similares son otro tipo primitivo de dispositivo ROM programable que se utilizó ampliamente en las décadas de 1970 y 1980 para cantidades muy pequeñas de datos , normalmente no más de 8 bytes). Antes de la estandarización industrial de la arquitectura del IBM PC, algunos otros modelos de microordenadores utilizaban RAM con respaldo de batería de forma más extensa: por ejemplo, en el TRS-80 Modelo 100 /Tandy 102, toda la memoria principal (8 KB mínimo, 32 KB máximo) es SRAM con respaldo de batería. Además, en la década de 1990, muchos cartuchos de software de videojuegos (por ejemplo, para consolas como la Sega Genesis ) incluían RAM con respaldo de batería para conservar partidas guardadas, puntuaciones altas y datos similares. Asimismo, algunos gabinetes de videojuegos arcade contienen módulos de CPU que incluyen RAM con respaldo de batería que contiene claves para el descifrado en tiempo real del software del juego. Las memorias con respaldo de batería, de mucha mayor capacidad, todavía se utilizan hoy en día como cachés para bases de datos de alta velocidad que requieren un nivel de rendimiento que los dispositivos NVRAM más recientes aún no han logrado alcanzar.

MOSFET de puerta flotante

Un gran avance en la tecnología NVRAM fue la introducción del transistor MOSFET de puerta flotante , que dio lugar a la memoria de solo lectura programable y borrable ( EPROM ). La EPROM consta de una matriz de transistores cuyo terminal de puerta (el interruptor) está protegido por un aislante de alta calidad. Al aplicar un voltaje superior al normal a los electrones hacia la base, estos quedan atrapados en el lado opuesto del aislante, activando permanentemente el transistor (1). La EPROM se puede restablecer al estado base (todos unos o ceros, según el diseño) mediante luz ultravioleta (UV). Los fotones UV tienen la energía suficiente para impulsar los electrones a través del aislante y devolver la base a un estado fundamental. En ese momento, la EPROM se puede reescribir desde cero.

Pronto surgió una mejora de la EPROM, la EEPROM . La E adicional significa eléctricamente , refiriéndose a la capacidad de reiniciar la EEPROM mediante electricidad en lugar de luz ultravioleta, lo que facilita enormemente su uso práctico. Los bits se reinician aplicando una potencia aún mayor a través de los otros terminales del transistor ( fuente y drenador ). Este pulso de alta potencia, en efecto, extrae los electrones a través del aislante, devolviéndolo al estado fundamental. Sin embargo, este proceso tiene la desventaja de degradar mecánicamente el chip, por lo que los sistemas de memoria basados ​​en transistores de puerta flotante suelen tener tiempos de escritura cortos, del orden de 10⁵ escrituras en cualquier bit.

Una forma de superar la limitación del número de reescrituras es utilizar una SRAM estándar donde cada bit está respaldado por un bit de EEPROM. En funcionamiento normal, el chip funciona como una SRAM rápida y, en caso de fallo de alimentación, el contenido se transfiere rápidamente a la EEPROM, desde donde se carga de nuevo al encender el dispositivo. Estos chips fueron denominados NOVRAM [ 5 ] por sus fabricantes.

La memoria flash se basa en la misma tecnología que la EEPROM, diferenciándose principalmente en su diseño interno. La memoria flash permite escribir en bloques, lo que simplifica enormemente el cableado interno y posibilita mayores densidades. La densidad de almacenamiento es el factor determinante del coste en la mayoría de los sistemas de memoria de ordenador, y por ello, la memoria flash se ha convertido en uno de los dispositivos de memoria de estado sólido más económicos del mercado. A partir del año 2000, la creciente demanda de memoria flash ha impulsado a los fabricantes a utilizar los sistemas de fabricación más avanzados para maximizar la densidad. Si bien las limitaciones de fabricación comienzan a ser un factor importante, las nuevas técnicas de "multibit" parecen permitir duplicar o cuadruplicar la densidad incluso con los anchos de línea actuales.

Alternativas comercializadas

Los ciclos de escritura limitados de la memoria Flash y la EEPROM representan un grave problema para cualquier aplicación similar a la RAM. Además, la alta potencia necesaria para escribir en las celdas supone un inconveniente en aplicaciones de bajo consumo, donde se suele utilizar la NVRAM. Asimismo, se requiere tiempo para que la potencia se acumule en un dispositivo conocido como bomba de carga , lo que ralentiza drásticamente la escritura en comparación con la lectura, a menudo hasta 1000 veces. Se han propuesto varios dispositivos de memoria nuevos para solucionar estas deficiencias.

RAM ferroeléctrica

Hasta la fecha, el único sistema de este tipo que ha entrado en producción a gran escala es la RAM ferroeléctrica , o F-RAM (a veces denominada FeRAM). La F-RAM es una memoria de acceso aleatorio similar en construcción a la DRAM , pero (en lugar de una capa dieléctrica como en la DRAM) contiene una fina película ferroeléctrica de titanato de zirconato de plomo [ Pb(Zr,Ti)O₃ ] , comúnmente conocido como PZT. Los átomos de Zr/Ti en el PZT cambian de polaridad en un campo eléctrico, produciendo así un interruptor binario. A diferencia de los dispositivos RAM, la F-RAM conserva su memoria de datos cuando se apaga o interrumpe la alimentación, debido a que el cristal de PZT mantiene la polaridad. Debido a esta estructura cristalina y a cómo se ve influenciada, la F-RAM ofrece propiedades distintivas de otras opciones de memoria no volátil, incluyendo una resistencia extremadamente alta (superior a 10¹⁶ ciclos de acceso para  dispositivos de 3,3 V), un consumo de energía ultrabajo (ya que la F-RAM no requiere una bomba de carga como otras memorias no volátiles), velocidades de escritura de un solo ciclo y tolerancia a la radiación gamma. [ 6 ] Ramtron International ha desarrollado, producido y licenciado RAM ferroeléctrica (F-RAM), y otras empresas que han licenciado y producido tecnología F-RAM incluyen Texas Instruments , Rohm y Fujitsu .

Memoria RAM magnetoresistiva

Otro enfoque que requiere un gran esfuerzo de desarrollo es la memoria de acceso aleatorio magnetoresistiva , o MRAM, que utiliza elementos magnéticos y, en general, opera de manera similar a un núcleo, al menos para la tecnología de primera generación. Solo un chip MRAM ha entrado en producción hasta la fecha: la parte de 4 Mbit de Everspin Technologies  , que es una MRAM de primera generación que utiliza escritura inducida por campo de punto de cruce. [ 7 ] Actualmente se están desarrollando dos técnicas de segunda generación: conmutación asistida térmicamente (TAS), [ 8 ] que está siendo desarrollada por Crocus Technology , y par de transferencia de espín (STT) en la que Crocus, Hynix , IBM y varias otras compañías están trabajando. [ 9 ] La STT-MRAM parece permitir densidades mucho más altas que las de la primera generación, pero está rezagada con respecto a la memoria flash por las mismas razones que FeRAM : enormes presiones competitivas en el mercado de la memoria flash.

Memoria RAM de cambio de fase

Otra tecnología de estado sólido que ha experimentado un desarrollo más allá de la mera experimentación es la memoria RAM de cambio de fase , o PRAM. La PRAM se basa en el mismo mecanismo de almacenamiento que los CD y DVD grabables , pero los lee en función de los cambios en su resistencia eléctrica en lugar de los cambios en sus propiedades ópticas. Considerada durante un tiempo una tecnología poco conocida, en 2006 Samsung anunció la disponibilidad de un componente de 512 Mbit, con una capacidad considerablemente mayor que la de la MRAM o la FeRAM. La densidad de área de estos componentes parece ser incluso mayor que la de los dispositivos flash modernos, siendo la menor capacidad de almacenamiento total la falta de codificación multibit. Este anuncio fue seguido por otro de Intel y STMicroelectronics , quienes demostraron sus propios dispositivos PRAM en el Foro de Desarrolladores de Intel de 2006 en octubre.

Intel y Micron Technology tenían una empresa conjunta para vender dispositivos PRAM bajo los nombres 3D XPoint , Optane y QuantX, la cual se suspendió en julio de 2022. [ 10 ] [ 11 ]

STMicroelectronics fabrica dispositivos de memoria de cambio de fase para aplicaciones automotrices.

Alternativas investigadas

Memoria de milpiés

Quizás una de las soluciones más innovadoras sea la memoria Millipede , desarrollada por IBM . Millipede es, en esencia, una tarjeta perforada fabricada con nanotecnología para aumentar drásticamente la densidad de área. Aunque se planeó introducir Millipede ya en 2003, problemas inesperados en el desarrollo lo retrasaron hasta 2005, momento en el que ya no era competitivo con la memoria flash. En teoría, la tecnología ofrece densidades de almacenamiento del orden de 1 Tbit/in² ( ≈155 Gbit/cm² ) , superiores incluso a las mejores tecnologías de discos duros actualmente en uso ( la grabación perpendicular ofrece 636 Gbit/in² ( ≈98,6 Gbit/cm² ) a diciembre de 2011 [ 12 ] ), pero la futura grabación magnética asistida por calor y los medios con patrones juntos podrían soportar densidades de 10 Tbit/in² [ 13 ] ( ≈1,55 Tbit/cm² ) . Sin embargo, la lentitud en las operaciones de lectura y escritura para memorias de este tamaño parece limitar esta tecnología a la sustitución de discos duros, en lugar de a usos de alta velocidad similares a la RAM, aunque, en gran medida, lo mismo ocurre con la memoria flash.

Memoria FeFET

Una aplicación alternativa de los ferroeléctricos (basados ​​en óxido de hafnio) es la memoria basada en Fe FET , que utiliza un material ferroeléctrico entre la puerta y el dispositivo de un transistor de efecto de campo . Se afirma que estos dispositivos tienen la ventaja de que utilizan la misma tecnología que la litografía basada en HKMG (puerta metálica de alta inductancia) y se escalan al mismo tamaño que un FET convencional en un nodo de proceso determinado . Hasta 2017,  se habían demostrado dispositivos de 32 Mbit a 22 nm .

Véase también

Referencias

  1. ↑ "DS1225Y" . Consultado el 3 de mayo de 2026 .
  2. ↑ "Estándares JEDEC DDR5 y NVDIMM-P en desarrollo" (Comunicado de prensa). JEDEC . 30 de marzo de 2017.
  3. ↑ "JEDEC organizará talleres sobre los estándares DDR5, LPDDR5 y NVDIMM-P" (Comunicado de prensa). JEDEC. 5 de septiembre de 2019.
  4. ↑ "JEDEC publica el estándar de protocolo de bus DDR4 NVDIMM-P" (Comunicado de prensa). JEDEC. 17 de febrero de 2021.
  5. ↑ Chan, Peter (21 de abril de 2005). "Características y aplicaciones de la memoria NOVRAM X4C105" (PDF) . Intersil . Archivado del original (PDF) el 14 de junio de 2007.
  6. ↑ "Tecnología de memoria F-RAM" . Ramtron . Archivado del original el 18 de abril de 2012. Consultado el 8 de junio de 2012 .
  7. ↑ "Tecnología" . Everspin . Archivado del original el 10 de junio de 2009.
  8. ↑ Hoberman, Barry. "El surgimiento de la MRAM práctica" (PDF) . Crocus Technology . Archivado del original (PDF) el 27 de abril de 2011. Consultado el 20 de julio de 2009 .
  9. ↑ LaPedus, Mark (18 de junio de 2009). "Tower invierte en Crocus y anuncia un acuerdo con una fundición de MRAM" . EE Times . Consultado el 9 de enero de 2020 .
  10. ↑ Mann, Tobias (29 de julio de 2022). "Por qué Intel eliminó su negocio de memoria Optane" . The Register . Situation Publishing . Consultado el 18 de noviembre de 2022 .
  11. ↑ Allyn Malventano (2 de junio de 2017). "CÓMO FUNCIONA LA MEMORIA DE CAMBIO DE FASE 3D XPOINT" . PC Perspective .
  12. ↑ "Hitachi GST lanza discos duros de un terabyte por plato" (Comunicado de prensa). Hitachi Global Storage Technologies . 3 de agosto de 2011. Archivado del original el 26 de octubre de 2011. Consultado el 17 de diciembre de 2011 .
  13. ↑ Johnston, Casey (2011-05-07). "Nuevo método de escritura de disco duro que ofrece un terabit por pulgada" . Ars Technica . Consultado el 2011-12-17 .
  • Compatibilidad con sistemas de archivos en memoria persistente , LWN.net , 2 de septiembre de 2014, por Jonathan Corbet