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Memoria flash
Qué es la memoria flash?
Publicado: 27 de junio de 2024
Colaboradores: Phill Powell, Ian Smalley
La memoria flash es una forma de memoria no volátil con almacenamiento continuo, incluso sin una fuente de alimentación. Permite reescrituras y eliminaciones a nivel de byte de bloques de datos.
La palabra “flash” es sinónimo de velocidad. Un destello es un breve destello de luz: ocurre rápidamente y luego se acaba. Las “tarjetas didácticas” 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 en una nube de polvo.
Los dispositivos de memoria flash son muy empleados y almacenan datos para fines muy específicos. Se encuentran comúnmente en una variedad de dispositivos portátiles, como unidades flash USB, teléfonos inteligentes, cámaras digitales, juegos de video, tabletas, 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 las computadoras. Por ejemplo, cuando alguien enciende una computadora, 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). Los sistemas posteriores vieron un cambio a la memoria flash para BIOS para que los contenidos se puedan reescribir sin tener que extraer el chip de la placa del sistema.
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La memoria flash almacena datos en celdas de memoria flash que se basan en transistores de puerta flotante. Las celdas de memoria de computadora de los chips de memoria flash están compuestas por transistores, que sirven como interruptores de enrutamiento para la corriente eléctrica que pasa a través de 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, estos transistores tienen dos puertas cada uno.
Una de ellas es la puerta de control, que se encuentra en la capa superior del transistor. La otra puerta se llama puerta flotante, así llamada porque efectivamente flota entre la puerta de control y la capa superior del chip transistor MOSFET.
Además, hay una fina capa de separación entre la compuerta de control y la compuerta flotante, conocida como 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 todo el progreso en la computación fue 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 permitiría la miniaturización masiva de la industria electrónica.
En 1967, dos investigadores de Bell Labs (Dawon Kahng y Simon Min Sze) sugirieron que la puerta flotante de un MOSFET podría reutilizar como fuente de memoria de solo lectura (ROM) reprogramable. En 1971, el ingeniero de Intel Dov Frohman inventó la memoria programable borrable de solo lectura (EPROM). Las EPROM se pueden identificar visualmente rápidamente porque todas tienen una ventana transparente en la parte superior del chip.
El siguiente paso incremental implicó la creación de una memoria de solo lectura programable 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 más notablemente en cómo ocurre el borrado de datos en cada una. Los datos de una EPROM pueden borrar por la presencia de rayos ultravioleta (UV), mientras que las EEPROM deben borrar mediante el uso de señales eléctricas.
La memoria flash tal como la conocemos comenzó durante la década de 1980 debido al trabajo pionero del Dr. Fujio Masuoka, quien inventó la memoria flash durante su mandato en Toshiba, el gigante manufacturero japonés.
Un colega del inventor notó lo rápido que se pueden borrar todos los datos de un chip semiconductor, como si ese proceso coincidiera con la velocidad de la unidad de flash de una cámara. La memoria flash nació y ahora tenía su 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 propios beneficios y desventajas.
Memoria NAND flash
La memoria NAND flash recibe su nombre de una combinación de "NOT" y "AND". Esta es una referencia a la puerta lógica que controla los circuitos internos de una celda NAND.
Cuando se programa una celda NAND, una corriente eléctrica llega a la puerta de control y los electrones fluyen hacia la puerta flotante, creando una carga positiva neta que interrumpe el flujo de corriente. La capa de óxido mantiene la puerta flotante aislada para que los electrones en 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 tanto de mantener una carga eléctrica como de retener datos.
Borrar una celda NAND es rápido, ya que está diseñado para eliminar bloques completos de datos. Nuevamente, se aplica una carga eléctrica a la celda de memoria, y esto hace que los electrones (y los datos) que quedaron atrapados dentro de la puerta flotante regresen a una capa de aislamiento inferior en el chip. Esto borra efectivamente la celda de memoria.
Producir chips de memoria flash NAND no es simple ni rápido.1 Se estimó que están involucrados más de 800 procesos de fabricación distintos, así como alrededor de un mes para crear una "oblea" NAND, que suele ser del tamaño de una pizza mediana con un diámetro de 12 pulgadas. Los chips NAND individuales, aproximadamente del tamaño de una uña humana, se cortan de estas obleas y se clasifican de acuerdo con su calidad de chip y utilidad general.
Los chips NAND ofrecen muchos beneficios. Para empezar, los chips NAND no contienen partes móviles, lo que los hace más resistentes y capaces de funcionar incluso cuando soportan choques mecánicos, temperaturas de funcionamiento excesivas o alta presión. En este sentido, el funcionamiento del chip NAND se compara favorablemente con las unidades de disco duro (HDD) que están más sujetas a vibraciones.
Por otro lado, el uso de NAND también tiene inconvenientes. La más notable de ellas es que este medio de almacenamiento no es abierto para permitir un número infinito de reescrituras en la memoria. Los chips NAND solo se pueden reescribir un cierto número de veces, lo que limita su utilidad continua.
Además, la memoria NAND flash está sujeta a las mismas restricciones que otros sistemas o dispositivos, lo que significa que las organizaciones están desbordadas de datos y las celdas de memoria NAND tuvieron que seguir el ritmo mediante la ingeniería de nuevas formas de celdas 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 aumentó con el tiempo, lo que dio como resultado la creación de celdas multinivel (MLC), celdas de triple nivel (TLC) e incluso celdas de cuádruple nivel (QLC).
Memoria NOR flash
Al igual que su contraparte NAND, el nombre de la memoria NOR flash es una combinación de dos palabras: "NOT" y "OR", una referencia al tipo de puerta lógica que controla los circuitos internos de la celda NOR.
En la memoria NOR flash, las celdas de memoria están conectadas en paralelo a líneas de bits. Esto permite que se lean y programen individualmente. Un extremo de cada celda de memoria está conectado al suelo, y el otro extremo conectado a una línea de bits.
Los principales beneficios 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. Otro beneficio clave de NOR flash es el hecho de que los dispositivos NOR pueden manejar tanto el almacenamiento de datos como la ejecución de código con un solo dispositivo cuando se usa 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 NAND flash,
Siga leyendo para conocer más diferencias entre los dos tipos de memoria flash.
Diseñe
Una diferencia de diseño principal entre la tecnología flash NAND y la tecnología flash NOR es la forma en 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 celdas de memoria están dispuestas horizontalmente. Esta diferencia de diseño hace que estos sistemas de memoria funcionen de manera diferente, con diferentes tasas de velocidad y rendimiento.
Latencia
Las tecnologías NAND suelen presentar latencias comprendidas entre 80 microsegundos y 120 microsegundos, mientras que se suele considerar que los índices de latencia NOR (el enlace se encuentra fuera de ibm.com) varían entre 160 nanosegundos y 210 nanosegundos, lo que demuestra que la memoria flash NOR suele experimentar una latencia menor.
Longevidad
Se suele estimar que la vida útil típica de la memoria NAND flash oscila entre tres y cinco años. En marcado contraste, las estimaciones sobre la vida útil de la memoria NOR flash pueden variar entre 20 años y 100 años (o más).
Consumo de energía
Otra área de diferencia entre las tecnologías NAND y NOR involucra la cantidad de electricidad que cada una requiere. Sin embargo, el consumo de energía utilizado por cada uno implica una compensación. Por ejemplo, NAND utiliza menos energía durante sus procedimientos de arranque pero más corriente cuando está en modo de espera. Esto difiere completamente con NOR, que utiliza más corriente eléctrica cuando se enciende por primera vez, pero menos energía cuando está de pie.
La cantidad de energía que utilizan durante el “trabajo” que cada uno realiza es aproximadamente comparable, aunque esta medición está sujeta a la tasa de memoria utilizada por cada uno, y esto depende de las actividades que realice cada tecnología. NOR se especializa en lecturas rápidas de datos y consume menos energía al hacerlo. Al escribir y borrar datos, NAND utiliza menos energía que NOR.
Velocidad
Cabe señalar aquí que ni la memoria NAND flash ni la memoria NOR flash pueden acercar a las velocidades de procesamiento alcanzadas habitualmente por 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 una computadora y su unidad central de procesamiento (CPU).
Además, no hay una respuesta clara sobre si NAND es más rápida que NOR, o viceversa. Depende de la aplicación inmediata en la que estén involucrados. Si la comparación se basa en lecturas rápidas, NOR es más rápido. Si la comparación se trata de ejecutar tareas y gestión de datos, entonces NAND es más rápido.
Ni NAND ni 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 vale la pena señalar 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 ese momento, ya que una vez que se apaga o se pierde su alimentación de apoyo, la memoria DRAM pierde cualquier dato con el que estaba trabajando.)
Capacidad de almacenamiento
Otro diferenciador clave, la memoria NAND flash ofrece una capacidad de almacenamiento sustancialmente mayor que la NOR, que generalmente está disponible en incrementos de memoria de 64 Mb a 2 Gb, mientras que las soluciones de almacenamiento de información NAND varían en capacidad de 1 Gb a 16 GB, lo que hace que la capacidad máxima de almacenamiento de NAND sea 8 veces mayor que la capacidad máxima de NOR.
Usos
Existen otras diferencias clave entre NAND y NOR, según los fines para los que se emplea cada una. A menudo se sugiere que NAND es más adecuado para realizar procesos "en profundidad" como reescrituras y borrados de bloques de datos, mientras que NOR sobresale en búsquedas rápidas de datos que son menos complicadas.
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Notas de pie de página
1 “Comprensión de la tecnología Flash NAND” (el enlace reside fuera de ibm.com), Simms.
