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Memoria de acceso aleatorio

Ejemplo de memoria de acceso aleatorio volátil y grabable : módulos de RAM dinámica síncrona , utilizados principalmente como memoria principal en ordenadores personales , estac...

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Ejemplo de memoria de acceso aleatorio volátil y grabable : módulos de RAM dinámica síncrona , utilizados principalmente como memoria principal en ordenadores personales , estaciones de trabajo y servidores .
Un chip de memoria de 64 bits, la memoria buffer SP95 Fase 2 producida por IBM a mediados de la década de 1960, frente a anillos de hierro del núcleo de memoria.
Módulo de memoria RAM DDR3 de 8 GB con disipador de calor blanco

La memoria de acceso aleatorio ( RAM ; / r æ m / ) es una forma de memoria electrónica de computadora que se puede leer y cambiar en cualquier orden, típicamente utilizada para almacenar datos de trabajo y código máquina . [ 1 ] [ 2 ] Un dispositivo de memoria de acceso aleatorio permite que los elementos de datos se lean o escriban en casi la misma cantidad de tiempo independientemente de la ubicación física de los datos dentro de la memoria, en contraste con otros medios de almacenamiento de datos de acceso directo (como discos duros y cinta magnética ), donde el tiempo requerido para leer y escribir elementos de datos varía significativamente dependiendo de sus ubicaciones físicas en el medio de grabación, debido a limitaciones mecánicas tales como velocidades de rotación del medio y movimiento del brazo.

En la tecnología moderna, la memoria de acceso aleatorio (RAM) se presenta en forma de chips de circuitos integrados (CI) con celdas de memoria MOS (metal-óxido-semiconductor) . La RAM se asocia normalmente con memorias volátiles , donde la información almacenada se pierde al interrumpirse la alimentación. Los dos tipos principales de memorias semiconductoras de acceso aleatorio volátiles son la memoria de acceso aleatorio estática (SRAM) y la memoria de acceso aleatorio dinámica (DRAM).

También se ha desarrollado la RAM no volátil [ 3 ] y otros tipos de memorias no volátiles permiten el acceso aleatorio para operaciones de lectura, pero no permiten operaciones de escritura o tienen otro tipo de limitaciones. Estas incluyen la mayoría de los tipos de memoria ROM y memoria flash NOR .

El uso de RAM de semiconductores se remonta a 1965, cuando IBM introdujo el chip SRAM monolítico (de un solo chip) SP95 de 16 bits para su computadora System/360 Modelo 95 , y Toshiba utilizó celdas de memoria DRAM bipolares para su calculadora electrónica Toscal BC-1411 de 180 bits , ambas basadas en transistores bipolares . Si bien ofrecía velocidades más altas que 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 dominante. [ 4 ] En 1966, el Dr. Robert Dennard inventó la arquitectura DRAM moderna en la que hay un solo transistor MOS por condensador. [ 5 ] El primer chip IC DRAM comercial, el Intel 1103 de 1K , se presentó en octubre de 1970. La memoria de acceso aleatorio dinámica síncrona (SDRAM) se reintrodujo con el chip Samsung KM48SL2000 en 1992.

Historia

Estas máquinas tabuladoras de IBM de mediados de la década de 1930 utilizaban contadores mecánicos para almacenar información.

Las primeras computadoras usaban relés , contadores mecánicos [ 6 ] o líneas de retardo para las funciones de memoria principal. Las líneas de retardo ultrasónicas eran dispositivos seriales que solo podían reproducir datos en el orden en que se escribían. La memoria de tambor se podía ampliar a un costo relativamente bajo, pero la recuperación eficiente de elementos de memoria requiere conocer la disposición física del tambor para optimizar la velocidad. Se usaban biestables construidos con tubos de vacío de triodo , y más tarde, con transistores discretos , para memorias más pequeñas y rápidas como los registros . Dichos registros eran relativamente grandes y demasiado costosos para usarlos con grandes cantidades de datos; generalmente, solo se podían proporcionar unas pocas docenas o unos pocos cientos de bits de dicha memoria.

La primera forma práctica de memoria de acceso aleatorio fue el tubo Williams . Almacenaba datos como puntos cargados eléctricamente en la superficie de un tubo de rayos catódicos . Dado que el haz de electrones del tubo podía leer y escribir los puntos en cualquier orden, la memoria era de acceso aleatorio. La capacidad del tubo Williams era de unos pocos cientos a alrededor de mil bits, pero era mucho más pequeño, rápido y eficiente energéticamente que el uso de pestillos de tubo de vacío individuales. Desarrollado en la Universidad de Manchester en Inglaterra, el tubo Williams proporcionó el medio en el que se implementó el primer programa almacenado electrónicamente en la computadora Manchester Baby , que ejecutó con éxito un programa por primera vez el 21 de junio de 1948. [ 7 ] De hecho, en lugar de que la memoria del tubo Williams se diseñara para la Baby, la Baby fue un banco de pruebas para demostrar la fiabilidad de la memoria. [ 8 ] [ 9 ]

La memoria de núcleo magnético se inventó en 1947 y se desarrolló hasta mediados de la década de 1970. Se convirtió en una forma generalizada de memoria de acceso aleatorio, basada en una matriz de anillos magnetizados. Al cambiar el sentido de la magnetización de cada anillo, se podían almacenar datos con un bit por anillo. Dado que cada anillo tenía una combinación de cables de dirección para seleccionarlo y leerlo o escribirlo, era posible acceder a cualquier ubicación de memoria en cualquier secuencia. La memoria de núcleo magnético fue la forma estándar de memoria de computadora hasta que fue reemplazada por la memoria de semiconductores en circuitos integrados (CI) a principios de la década de 1970. [ 10 ]

Antes del desarrollo de los circuitos integrados de memoria de solo lectura (ROM), la memoria de acceso aleatorio permanente (o de solo lectura ) se construía a menudo utilizando matrices de diodos controladas por decodificadores de direcciones o planos de memoria de núcleo bobinado especiales.

La memoria semiconductora apareció en la década de 1960 con la memoria bipolar, que utilizaba transistores bipolares . Aunque era más rápida, no podía competir con el menor precio de la memoria de núcleo magnético. [ 11 ]

Memoria RAM MOS

En 1957, Frosch y Derick fabricaron los primeros transistores de efecto de campo de dióxido de silicio en Bell Labs, los primeros transistores en los que el drenador y la fuente estaban adyacentes en la superficie. [ 12 ] Posteriormente, en 1960, un equipo demostró un MOSFET funcional en Bell Labs. [ 13 ] [ 14 ] Esto condujo al desarrollo de la memoria de metal-óxido-semiconductor (MOS) por John Schmidt en Fairchild Semiconductor en 1964. [ 10 ] [ 15 ] Además de velocidades más altas, la memoria semiconductora MOS era más barata y consumía menos energía que la memoria de núcleo magnético. [ 10 ] 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 MOS superó a la memoria de núcleo magnético como la tecnología de memoria dominante a principios de la década de 1970. [ 10 ]

La memoria de acceso aleatorio estática bipolar integrada (SRAM) fue inventada por Robert H. Norman en Fairchild Semiconductor en 1963. [ 17 ] Posteriormente, John Schmidt desarrolló la SRAM MOS en Fairchild en 1964. [ 10 ] 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 el chip de memoria SP95 para el System/360 Modelo 95. [ 11 ]

La memoria de acceso aleatorio dinámico (DRAM) permitió reemplazar un circuito de enclavamiento de 4 o 6 transistores por un solo transistor para cada bit de memoria, lo que aumentó considerablemente la densidad de memoria a costa de la volatilidad. Los datos se almacenaban en la minúscula capacitancia de cada transistor y debían actualizarse periódicamente cada pocos milisegundos antes de que la carga se disipara.

La calculadora electrónica Toscal BC-1411 de Toshiba , presentada en 1965, [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ] utilizaba una forma de DRAM bipolar capacitiva, que almacenaba datos de 180 bits en celdas de memoria discretas , compuestas por transistores bipolares de germanio y condensadores. [ 20 ] [ 21 ] Los condensadores también se habían utilizado en esquemas de memoria anteriores, como el tambor de la computadora Atanasoff-Berry , el tubo Williams y el tubo Selectron . Si bien ofrecía velocidades más altas que la memoria de núcleo magnético, la DRAM bipolar no podía competir con el menor precio de la memoria de núcleo magnético, que entonces era la dominante. [ 22 ]

Chip DRAM CMOS de 1 megabit (Mbit), uno de los últimos modelos desarrollados por VEB Carl Zeiss en 1989.

En 1966, Robert Dennard , mientras examinaba 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, y el transistor MOS podía controlar la escritura de la carga en el capacitor. Esto condujo al desarrollo de la arquitectura DRAM moderna, en la que hay un solo transistor MOS por capacitor. [ 18 ] En 1967, Dennard presentó una patente bajo IBM para una celda de memoria DRAM de un solo transistor, basada en tecnología MOS. [ 18 ] [ 23 ] El primer chip IC DRAM comercial fue el Intel 1103 , que se fabricó en un proceso MOS de 8  μm con una capacidad de 1 kbit , y se lanzó en 1970. [ 10 ] [ 24 ] [ 25 ] 

Las primeras DRAM a menudo se sincronizaban con el reloj de la CPU y se usaban con los primeros microprocesadores. A mediados de la década de 1970, las DRAM pasaron al diseño asíncrono, pero en la década de 1990 volvieron a la operación síncrona. [ 26 ] [ 27 ] En 1992, Samsung lanzó el KM48SL2000, que tenía una capacidad de 16 Mbit . [ 28 ] [ 29 ] La primera SDRAM comercial de doble velocidad de datos fue la SDRAM DDR de 64 Mbit de Samsung , lanzada en junio de 1998. [ 30 ] GDDR (DDR gráfica) es una forma de SGRAM (RAM gráfica síncrona), que fue lanzada por primera vez por Samsung como un chip de memoria de 16 Mbit en 1998. [ 31 ]   

Tipos

En general, el término RAM se refiere exclusivamente a dispositivos de memoria de estado sólido, y más específicamente a la memoria principal en la mayoría de las computadoras. Las dos formas más utilizadas de RAM moderna son la RAM estática (SRAM) y la RAM dinámica (DRAM). En la SRAM, un bit de datos se almacena utilizando el estado de una celda de memoria , que normalmente utiliza seis MOSFET. Esta forma de RAM es más costosa de producir, pero generalmente es más rápida y requiere menos energía estática que la DRAM. En las computadoras modernas, la SRAM se usa a menudo como memoria caché para la CPU . La DRAM almacena un bit de datos utilizando un par de transistor y condensador (normalmente un MOSFET y un condensador MOS , respectivamente), [ 32 ] que juntos forman una celda DRAM. El condensador mantiene una carga alta o baja (1 o 0, respectivamente), y el transistor actúa como un interruptor que permite que el circuito de control del chip lea el estado de carga del condensador o lo cambie. Como esta forma de memoria es menos costosa de producir que la RAM estática, es la forma predominante de memoria de computadora utilizada en las computadoras modernas.

Tanto la RAM estática como la dinámica se consideran volátiles , ya que su estado se pierde al interrumpirse la alimentación del sistema. Por el contrario, la memoria de solo lectura (ROM) almacena datos activando o desactivando permanentemente transistores específicos, de modo que la memoria no se puede modificar. Las variantes de ROM que permiten la escritura (como la EEPROM y la memoria flash NOR ) comparten propiedades tanto de la ROM como de la RAM, lo que permite que los datos persistan sin alimentación y se actualicen sin necesidad de equipos especiales.

La memoria ECC (que puede ser SRAM o DRAM) incluye circuitos especiales para detectar y/o corregir fallos aleatorios (errores de memoria) en los datos almacenados, utilizando bits de paridad o códigos de corrección de errores .

célula de memoria

La celda de memoria es el componente fundamental de la memoria de la computadora . Se trata de un circuito electrónico que almacena un bit de información binaria. La celda se puede configurar para almacenar un 1 lógico (nivel de voltaje alto) y reiniciar para almacenar un 0 lógico (nivel de voltaje bajo). Su valor se mantiene hasta que se modifica mediante el proceso de configuración/reinicio. Se puede acceder al valor de la celda de memoria leyéndola.

En la memoria SRAM, la celda de memoria es un tipo de circuito biestable , generalmente implementado con transistores FET . Esto significa que la SRAM requiere muy poca energía cuando no se está utilizando, pero es compleja, costosa y tiene una baja densidad de almacenamiento.

Un segundo tipo, la DRAM, se basa en un condensador. La carga y descarga de este condensador permite almacenar un 1 o un 0 en la celda. Sin embargo, la carga en este condensador se disipa lentamente y debe recargarse periódicamente. Debido a este proceso de recarga, la DRAM consume más energía, pero puede alcanzar mayores densidades de almacenamiento y menores costos unitarios en comparación con la SRAM.

Direccionamiento

Para ser útiles, las celdas de memoria deben ser legibles y escribibles. Dentro del dispositivo RAM, se utiliza un circuito de multiplexación y demultiplexación para seleccionar las celdas de memoria. Normalmente, un dispositivo RAM tiene un conjunto de líneas de dirección.A0,A1,...Anorte{\displaystyle A_{0},A_{1},...A_{n}}Y para cada combinación de bits que se puede aplicar a estas líneas, se selecciona un conjunto de celdas de memoria. Debido a este direccionamiento, los dispositivos RAM prácticamente siempre tienen una capacidad de memoria que es una potencia de dos.

Normalmente, varias celdas de memoria comparten la misma dirección. Por ejemplo, un chip de RAM de 4 bits tiene cuatro celdas de memoria por cada dirección. A menudo, el ancho de la memoria y el del microprocesador son diferentes; para un microprocesador de 32 bits, se necesitarían ocho chips de RAM de 4 bits.

A menudo, se necesitan más direcciones de las que puede proporcionar un solo dispositivo. En ese caso, se utilizan varios dispositivos, con multiplexores externos para seleccionar el dispositivo asignado a un rango de direcciones específico. La RAM suele ser direccionable por bytes, aunque también existe RAM direccionable por palabras. [ 33 ] [ 34 ]

Jerarquía de memoria

Muchos sistemas informáticos cuentan con una jerarquía de memoria compuesta por registros del procesador , cachés SRAM integradas , cachés externas , DRAM , sistemas de paginación de memoria y memoria virtual o espacio de intercambio en una unidad SSD o disco duro . Este conjunto de memoria se conoce como RAM desde el punto de vista de la programación. El objetivo principal de utilizar una jerarquía de memoria es obtener el tiempo de acceso promedio más rápido posible , minimizando al mismo tiempo el coste total del sistema de memoria.

Otros usos de la RAM

Además de servir como almacenamiento temporal y espacio de trabajo para el sistema operativo y las aplicaciones, la RAM se utiliza de muchas otras maneras.

Memoria virtual

La mayoría de los sistemas operativos modernos emplean un método, conocido como memoria virtual, para ampliar la capacidad de la RAM. Una parte del disco duro o SSD del ordenador se reserva para un archivo de paginación o una partición temporal , y la combinación de la RAM física y el archivo de paginación conforma la memoria total del sistema. Por ejemplo, si un ordenador tiene 2  GB de RAM y un  archivo de paginación de 1 GB, el sistema operativo  dispone de 3 GB de memoria total. Cuando el sistema se queda sin memoria física, puede intercambiar porciones de RAM con el archivo de paginación para liberar espacio para nuevos datos. Cuando se necesita de nuevo la información previamente intercambiada, se realiza otro intercambio para volver a cargarla en la RAM. El uso excesivo de este mecanismo provoca sobrecarga del sistema y, en general, perjudica su rendimiento, principalmente porque los discos duros son mucho más lentos que la RAM.

disco RAM

El software puede particionar una parte de la RAM de un ordenador, lo que le permite funcionar como un disco duro mucho más rápido, denominado unidad RAM. Una unidad RAM normalmente pierde los datos almacenados cuando se apaga el ordenador. [ a ]

Memoria RAM en sombra

En ocasiones, el contenido de un chip ROM relativamente lento se copia a la RAM para reducir los tiempos de acceso. A continuación, se desactiva el chip ROM mientras se activan las ubicaciones de memoria inicializadas en el mismo bloque de direcciones (a menudo protegido contra escritura). Este proceso, a veces denominado sombreado , es bastante común tanto en ordenadores como en sistemas embebidos .

Como ejemplo común, la BIOS de los ordenadores personales suele tener una opción llamada "usar BIOS en sombra" o similar. Cuando está habilitada, las funciones que dependen de los datos de la ROM de la BIOS utilizan ubicaciones de DRAM (la mayoría también permite activar o desactivar el uso de la ROM de la tarjeta gráfica u otras secciones de la ROM). La memoria libre se reduce en la cantidad de ROMs utilizadas en la sombra. Dependiendo del sistema, esto puede no resultar en un aumento del rendimiento y puede causar incompatibilidades. Por ejemplo, algunos componentes de hardware pueden ser inaccesibles para el sistema operativo si se utiliza la RAM en sombra. En algunos sistemas, el beneficio puede ser hipotético, ya que la BIOS no se utiliza después del arranque. [ 35 ]

redes privadas virtuales

Algunos servicios de redes privadas virtuales utilizan servidores RAM para mantener todo el estado de ejecución, incluidos los metadatos de sesión y el material criptográfico, en memoria volátil . Esto tiene como objetivo mejorar la seguridad en comparación con los diseños basados ​​en discos. [ 36 ] [ 37 ] En este diseño, no se escriben datos en discos duros; toda la información reside en memoria volátil y se borra cada vez que el servidor se apaga o se reinicia. [ 38 ]

Muro de recuerdos

El cuello de botella de la memoria es la creciente disparidad de velocidad entre la CPU y el tiempo de respuesta de la memoria (conocido como latencia de memoria ) fuera del chip de la CPU. Una razón importante de esta disparidad es el ancho de banda de comunicación limitado más allá de los límites del chip. Entre 1986 y 2000, la velocidad de la CPU mejoró a una tasa anual del 55%, mientras que el tiempo de respuesta de la memoria fuera del chip solo mejoró un 10%. Dadas estas tendencias, se esperaba que la latencia de la memoria se convirtiera en un cuello de botella abrumador en el rendimiento de las computadoras. [ 39 ]

Otra razón de la disparidad es el enorme aumento en el tamaño de la memoria desde el inicio de la revolución de las PC en la década de 1980. Originalmente, las PC contenían menos de 1 megabyte de RAM, que a menudo tenía un tiempo de respuesta de 1 ciclo de reloj de la CPU, lo que significa que requería 0 estados de espera . Las unidades de memoria más grandes son inherentemente más lentas que las más pequeñas del mismo tipo, simplemente porque las señales tardan más en recorrer un circuito más grande. Construir una unidad de memoria de varios gigabytes con un tiempo de respuesta de un ciclo de reloj es difícil o imposible. Las CPU modernas a menudo todavía tienen memoria caché de 0 estados de espera, pero, debido a las limitaciones de ancho de banda de la comunicación entre chips, debe residir en el mismo chip que los núcleos de la CPU. También debe construirse con RAM estática, que es mucho más cara que la RAM dinámica utilizada para memorias más grandes.

Las mejoras en la velocidad de la CPU se ralentizaron significativamente, en parte debido a importantes barreras físicas y en parte porque los diseños de CPU ya han alcanzado, en cierto modo, el límite de la memoria. Intel resumió estas causas en un documento de 2005. [ 40 ]

En primer lugar, a medida que las geometrías de los chips se reducen y las frecuencias de reloj aumentan, la corriente de fuga de los transistores se incrementa, lo que conlleva un consumo excesivo de energía y calor. En segundo lugar, las ventajas de las velocidades de reloj más altas se ven parcialmente contrarrestadas por la latencia de la memoria, ya que los tiempos de acceso a la memoria no han podido seguir el ritmo del aumento de las frecuencias de reloj. En tercer lugar, para ciertas aplicaciones, las arquitecturas seriales tradicionales se vuelven menos eficientes a medida que los procesadores se vuelven más rápidos (debido al llamado cuello de botella de von Neumann ), lo que reduce aún más cualquier ganancia que pudieran aportar los aumentos de frecuencia. Además, en parte debido a las limitaciones en los medios para producir inductancia dentro de los dispositivos de estado sólido, los retrasos de resistencia-capacitancia (RC) en la transmisión de señales aumentan a medida que se reducen los tamaños de las características, lo que impone un cuello de botella adicional que los aumentos de frecuencia no solucionan.

Los retrasos RC en la transmisión de señales también se observaron en "Velocidad de reloj versus IPC: El fin del camino para las microarquitecturas convencionales" [ 41 ] que proyectó una mejora máxima del rendimiento anual promedio de la CPU del 12,5% entre 2000 y 2014.

Un concepto diferente es la brecha de rendimiento entre el procesador y la memoria, que puede abordarse mediante circuitos integrados 3D que reducen la distancia entre la lógica de control y las celdas de memoria que están más separadas en un chip 2D. [ 42 ] El diseño del subsistema de memoria requiere centrarse en esta brecha, que se amplía con el tiempo. [ 43 ] El método principal para superar esta brecha es el uso de cachés ; pequeñas cantidades de memoria de alta velocidad que almacenan datos asociados con operaciones recientes cerca del procesador, acelerando el acceso a estos datos cuando se solicitan con frecuencia. Se han desarrollado múltiples niveles de caché para abordar la creciente brecha, y el rendimiento de las computadoras modernas de alta velocidad depende de la evolución de las técnicas de caché. [ 44 ] Puede haber una diferencia de hasta el 53 % entre el aumento de la velocidad del procesador y la velocidad de acceso a la memoria principal, que se queda rezagada. [ 45 ]

Las unidades de estado sólido han seguido aumentando su velocidad, desde ~400 Mbit/s a través de SATA3 en 2012 hasta ~7 GB/s a través de NVMe / PCIe en 2024, reduciendo la brecha entre las velocidades de la RAM y los discos duros, aunque la RAM sigue siendo un orden de magnitud más rápida, con DDR5 de un solo carril a 8000  MHz capaz de 128 GB/s , y la GDDR moderna aún más rápida. Las unidades de estado sólido rápidas, económicas y no volátiles han reemplazado algunas funciones que antes realizaba la RAM, como el almacenamiento de ciertos datos para su disponibilidad inmediata en granjas de servidores : 1 terabyte de almacenamiento SSD se puede obtener por $200, mientras que 1 TB de RAM costaría miles de dólares. [ 46 ] [ 47 ]  

Cronología

SRAM

DRACMA

SDRAM

SGRAM

Notas

  1. ↑ El contenido se puede conservar si la memoria está configurada para tener una fuente de batería de reserva, o si los cambios en la unidad RAM se escriben en un disco no volátil antes de apagar el equipo, en cuyo caso, el contenido de la unidad RAM se vuelve a cargar desde el disco al inicializarse la unidad RAM.

Véase también

Referencias

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