¿Qué es la memoria flash?

La palabra "flash" es sinónimo de velocidad. Un flash es un breve destello de luz: ocurre rápidamente y luego se acaba. Las "tarjetas flash" tradicionales son ayudas didácticas de alta velocidad diseñadas para reforzar las técnicas de memorización. Flash, el superhéroe más rápido de todos, puede competir con Superman y dejarlo hecho una nube de polvo.

Los dispositivos de memoria flash son muy utilizados y almacenan datos para fines muy específicos. Se suelen encontrar en una serie de dispositivos portátiles, como unidades flash USB, teléfonos inteligentes, cámaras digitales, videojuegos, tablets, tarjetas de memoria flash y tarjetas SD.

Además, la memoria flash ahora asume algunas de las mismas funciones que antes se reservaban para las unidades de disco duro de los ordenadores. Por ejemplo, cuando alguien enciende un ordenador, esa máquina pasa por una secuencia de arranque conocida como Sistema básico de entrada/salida (BIOS). El firmware que contenía el BIOS por primera vez requería el uso de un chip de memoria de solo lectura (ROM). En los sistemas posteriores se ha pasado a la memoria flash para la BIOS, de modo que se puede reescribir el contenido sin tener que extraer el chip de la placa del sistema.

La memoria flash almacena datos en celdas de memoria flash basadas en transistores de puerta flotante. Las celdas de memoria de los chips de memoria flash están formadas por transistores, que sirven como interruptores de enrutamiento de la corriente eléctrica que pasa por esa celda de memoria flash.

Los chips de memoria flash están dispuestos en cuadrículas, casi como bloques de ciudades. Las celdas de memoria se distribuyen en filas y estas filas se conocen como líneas de bits. Al igual que las manzanas de las ciudades, estos chips contienen intersecciones, y cada intersección cuenta con un transistor. A su vez, cada transistor tiene dos puertas.

Una es la puerta de control, que se encuentra en la capa superior del transistor. La otra puerta se denomina puerta flotante, porque flota entre la puerta de control y la capa superior del chip transistorizado MOSFET.

Además, hay una fina capa de separación entre la puerta de control y la puerta flotante, denominada capa de óxido, aunque está formulada con dióxido de silicio (SiO2).

La cantidad particular de memoria flash designa si ese uso de memoria flash cae en una clasificación de baja densidad, densidad media o alta densidad. Las grabaciones de mayor densidad reflejan mayores cantidades de memoria flash.

Casi todos los avances en la informática se han producido a través de un proceso acumulativo. Primero vino el desarrollo de las primeras unidades centrales de procesamiento(CPU). En 1960 se creó el transistor MOSFET, que permitió la miniaturización masiva del sector de la electrónica.

En 1967, dos investigadores de los Laboratorios Bell (Dawon Kahng y Simon Min Sze) sugirieron que la puerta flotante de un MOSFET podría reutilizarse como fuente de memoria de solo lectura (ROM) reprogramable. En 1971, el ingeniero de Intel Dov Frohman había inventado la memoria borrable programable de solo lectura (EPROM). Las EPROM se pueden identificar rápidamente de forma visual porque todas tienen una ventana transparente en la parte superior del chip.

El siguiente paso incremental implicó la creación de memoria programable de solo lectura borrable eléctricamente (EEPROM), otra forma de programa borrable eléctricamente. Las EEPROM se desarrollaron a finales de la década de 1970 y principios de la de 1980 como una actualización de las EPROM.

Las EPROM y las EEPROM difieren notablemente en la forma en la que se produce el borrado de datos en cada una de ellas. Los datos de una EPROM pueden borrarse por la presencia de rayos ultravioleta (UV), mientras que las EEPROM deben borrarse mediante señales eléctricas.

La memoria flash, tal y como la conocemos, comenzó su andadura en la década de 1980 gracias al trabajo pionero del Dr. Fujio Masuoka, inventor de la memoria flash durante su etapa en Toshiba, el gigante japonés de la fabricación.

Un compañero del inventor se dio cuenta de la rapidez con la que se pueden borrar todos los datos de un chip semiconductor, como si ese proceso coincidiera con la velocidad del flash de la cámara. La memoria flash había nacido y ya tenía nombre.

Hay dos tipos básicos de tecnología de memoria flash, cada uno con su propia arquitectura y algoritmos. Además, cada medio de almacenamiento ofrece sus propias ventajas y desventajas.

La memoria flash NAND recibe su nombre de una combinación de “NO” y “AND”. Esta es una referencia a la puerta lógica que controla el circuito interno de una celda NAND.

Cuando se programa una célula NAND, una corriente eléctrica llega a la puerta de control y los electrones fluyen hacia la puerta flotante, creando una carga neta positiva que interrumpe el flujo de corriente. La capa de óxido mantiene aislada la puerta flotante para que los electrones de la puerta flotante se mantengan allí, junto con los datos que se almacenan. Esto es lo que le da a la memoria flash la capacidad de mantener una carga eléctrica y retener datos.

Borrar una celda NAND es rápido, ya que está diseñado para eliminar bloques enteros de datos. De nuevo, se aplica una carga eléctrica a la célula de memoria, lo que hace que los electrones (y los datos) que habían quedado atrapados en la puerta flotante drenen de nuevo a una capa de aislamiento inferior del chip. Esto borra efectivamente la celda de memoria.

Producir chips de memoria flash NAND no es sencillo ni rápido¹. Se calcula que se necesitan más de 800 procesos de fabricación distintos, así como alrededor de un mes para crear una "oblea" NAND, que suele tener el tamaño aproximado de una pizza mediana de 12 pulgadas de diámetro. Los chips NAND individuales, aproximadamente del tamaño de una uña humana, se cortan de estas obleas y se clasifican de acuerdo con la calidad del chip y la utilidad general.

Los chips NAND ofrecen muchas ventajas. Para empezar, los chips NAND no contienen piezas móviles, lo que los hace más resistentes y capaces de funcionar incluso cuando soportan golpes mecánicos, temperaturas de funcionamiento excesivas o alta presión. En este sentido, el funcionamiento de los chips NAND se compara favorablemente con las unidades de disco duro (HDD) que están más sujetas a vibraciones.

Por otro lado, el uso de la NAND también tiene inconvenientes. La más notable es que este medio de almacenamiento no permite un número infinito de reescrituras en la memoria. Los chips NAND solo se pueden reescribir un número determinado de veces, lo que limita su utilidad continua.

Además, la memoria flash NAND está sujeta a las mismas limitaciones que otros sistemas o dispositivos, es decir, las organizaciones están desbordadas de datos y las células de memoria NAND han tenido que seguir el ritmo diseñando nuevas formas de células de memoria. Lo que comenzó con la memoria de celda de un solo nivel (SLC) y el almacenamiento de un bit para cada celda y dos niveles de carga se ha incrementado con el tiempo, dando como resultado la creación de celdas multinivel (MLC), celdas de triple nivel (TLC) y incluso celdas de cuádruple nivel (QLC).

Al igual que su homóloga NAND, el nombre de la memoria flash NOR es una combinación de dos palabras: "NOT" y “OR”, una referencia al tipo de puerta lógica que controla los circuitos internos de la célula NOR.

En la memoria flash NOR, las celdas de memoria están conectadas en paralelo a líneas de bits. Esto permite que puedan leerse y programarse individualmente. Un extremo de cada celda de memoria está conectado a tierra y el otro extremo a una línea de bits.

Las principales ventajas de NOR son su velocidad de lectura, un alto número de posibles reescrituras y su capacidad para acomodar datos de acceso aleatorio. Esto hace que las puertas NOR sean perfectas para su uso en sistemas de semáforos municipales, automatización industrial, sistemas de alarma, diseño de circuitos digitales y dispositivos electrónicos. Otra ventaja clave de NOR flash es el hecho de que los dispositivos NOR pueden gestionar tanto el almacenamiento de datos como la ejecución de código con un solo dispositivo cuando se utiliza NOR flash.

En cuanto a sus desventajas, la memoria flash NOR emplea un tamaño de celda mayor. Esto da como resultado velocidades de escritura y borrado más lentas que la memoria flash NAND.

Siga leyendo para conocer más diferencias entre los dos tipos de memoria flash.

Una de las principales diferencias de diseño entre la tecnología flash NAND y la tecnología flash NOR es la forma en la que se distribuyen las celdas de memoria dentro de un semiconductor. En los chips NAND, estas celdas están alineadas verticalmente. En los chips NOR, las células de memoria están dispuestas horizontalmente. Esta diferencia de diseño hace que estos sistemas de memoria funcionen de forma diferente, con distintos índices de velocidad y rendimiento.

Las tecnologías NAND suelen presentar latencias que oscilan entre los 80 microsegundos y los 120 microsegundos, mientras que se suele considerar que los índices de latencia NOR oscilan entre los 160 nanosegundos y los 210 nanosegundos, lo que demuestra que la memoria flash NOR suele experimentar una latencia menor.

A menudo se estima que la vida útil típica de la memoria flash NAND es de entre tres y cinco años. En marcado contraste, las estimaciones sobre la vida útil de la memoria flash NOR pueden variar entre 20 años y 100 años (o más).

Otra diferencia entre las tecnologías NAND y NOR es la cantidad de electricidad que necesitan. Sin embargo, el consumo de energía utilizado por cada una implica un compromiso. Por ejemplo, la NAND utiliza menos energía durante sus procedimientos de inicio, pero más corriente cuando está en modo de espera. Esto difiere completamente de la NOR, que utiliza más corriente eléctrica cuando se enciende por primera vez, pero menos energía cuando está parado.

La cantidad de energía que utilizan durante el "trabajo" que realiza cada una de ellas es aproximadamente comparable, aunque esta medida está sujeta a la tasa de memoria utilizada por cada una, y esta depende de las actividades realizadas por cada tecnología. NOR se especializa en lecturas rápidas de datos y consume menos energía al hacerlo. Al escribir y borrar datos, la NAND utiliza menos energía que la NOR.

Cabe señalar en este caso que ni la memoria flash NAND ni la memoria flash NOR pueden acercarse a las velocidades de procesamiento que suelen alcanzar otras formas de memoria. A menudo se piensa que la memoria caché es la memoria más rápida de todas, en virtud de su posición entre la memoria de acceso aleatorio (RAM) de un ordenador y su unidad central de procesamiento (CPU).

Además, no hay una respuesta clara para saber si la NAND es más rápida que la NOR o viceversa. Depende de la solicitud inmediata a la que se dediquen. Si se comparan en base a lecturas rápidas, entonces la NOR es más rápida. Si se comparan la ejecución de tareas y la gestión de datos, entonces la NAND es más rápida.

Ni la NAND ni la NOR pueden seguir el ritmo de la memoria dinámica de acceso aleatorio (DRAM), una forma única de RAM que alcanza velocidades de alto rendimiento hasta 100 veces más rápidas que la NAND y ofrece almacenamiento de archivos temporal durante el funcionamiento de aplicaciones o programas. (Sin embargo, también hay que tener en cuenta que la DRAM es una forma volátil de memoria, lo que significa que su mayor utilidad es ayudar al procesamiento que se está produciendo en el momento, ya que una vez que se apaga o se pierde la energía que la sustenta, la memoria DRAM pierde todos los datos con los que estaba trabajando).

Otro factor diferenciador clave es que la memoria flash NAND ofrece una capacidad de almacenamiento sustancialmente mayor que la NOR, que suele estar disponible en incrementos de memoria de 64 Mb a 2 Gb, mientras que las soluciones de almacenamiento NAND varían en capacidad de 1 Gb a 16  Gb, lo que hace que la capacidad de almacenamiento máxima de NAND sea ocho veces mayor que la capacidad máxima de NOR.

Existen otras diferencias clave entre la NAND y la NOR, según el propósito para el que se utiliza cada una. A menudo se sugiere que la NAND es más adecuado para realizar procesos “en profundidad”, como reescrituras y borrados de bloques de datos, mientras que la NOR se destaca en búsquedas rápidas de datos que son menos complejas.