Memoria de acceso aleatorio no volátil

memoria de acceso aleatorio no volátil (NVRAM) es una memoria de acceso aleatorio que retiene datos sin aplicar energía. Esto contrasta con la memoria dinámica de acceso aleatorio (DRAM) y la memoria estática de acceso aleatorio (SRAM), que mantienen los datos solo mientras se aplica energía, o formas de memoria de acceso secuencial como la cinta magnética, que no pueden ser accedido aleatoriamente pero que retiene los datos indefinidamente sin energía eléctrica.

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

Si la memoria principal de un sistema informático no fuera volátil, se reduciría en gran medida el tiempo necesario para iniciar un sistema después de un corte de energía. Los tipos actuales de memoria no volátil de semiconductores existentes tienen limitaciones en el tamaño de la memoria, el consumo de energía o la vida útil que los hacen poco prácticos para la memoria principal. Se está desarrollando el uso de chips de memoria no volátiles como memoria principal del sistema, como memoria persistente. En 2021 se publicó un estándar para la memoria persistente conocido como NVDIMM-P.

Primeras NVRAM

Las primeras computadoras usaban sistemas de memoria de núcleo y tambor que no eran volátiles como subproducto de su construcción. La forma más común de memoria durante la década de 1960 fue la memoria de núcleo magnético, que almacenaba datos en la polaridad de pequeños imanes. Dado que los imanes mantuvieron su estado incluso sin energía, la memoria central tampoco era volátil. Otros tipos de memoria requerían energía constante para retener los datos, como los flip-flops de tubo de vacío o de estado sólido, los tubos de Williams y la memoria de semiconductores (RAM estática o dinámica).

Los avances en la fabricación de semiconductores en la década de 1970 llevaron a una nueva generación de memorias de estado sólido que la memoria de núcleo magnético no podía igualar en costo o densidad. Hoy en día, la RAM dinámica forma la gran mayoría de la memoria principal de una computadora típica. Muchos sistemas requieren al menos algo de memoria no volátil. Las computadoras de escritorio requieren el almacenamiento permanente de las instrucciones requeridas para cargar el sistema operativo. Los sistemas integrados, como una computadora de control del motor de un automóvil, deben conservar sus instrucciones cuando se desconecta la energía. Muchos sistemas usaban una combinación de RAM y algún tipo de ROM para estos roles.

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 podía modificarse una vez completado.

PROM mejoró este diseño, lo que permite que el usuario final escriba eléctricamente el chip. PROM consiste en una serie de diodos que inicialmente están todos configurados en un solo valor, "1" por ejemplo. Al aplicar una potencia superior a la normal, un diodo seleccionado puede "quemarse" (como un fusible), por lo que establece permanentemente ese bit en "0". PROM facilitó la creación de prototipos y la fabricación en pequeño volumen. Muchos fabricantes de semiconductores proporcionaron una versión PROM de su parte de ROM de máscara, para que el firmware de desarrollo pudiera probarse antes de ordenar una ROM de máscara.

Actualmente, la forma más conocida de memoria NV-RAM y EEPROM es la memoria flash. Algunos inconvenientes de la memoria flash incluyen el requisito de escribirla en bloques más grandes de los que muchas computadoras pueden abordar automáticamente, y la longevidad relativamente limitada de la memoria flash debido a su número finito de ciclos de escritura y borrado (a partir de enero de 2010, la mayoría de los productos flash de consumo pueden soportar solo alrededor de 100,000 reescrituras antes de que la memoria comience a deteriorarse). Otro inconveniente son las limitaciones de rendimiento que impiden que la memoria flash coincida con los tiempos de respuesta y, en algunos casos, la direccionabilidad aleatoria que ofrecen las formas tradicionales de RAM. Varias tecnologías más nuevas están intentando reemplazar flash en ciertas funciones, y algunas incluso afirman ser una memoria verdaderamente universal, que ofrece el rendimiento de los mejores dispositivos SRAM con la no volatilidad de flash. A partir de junio de 2018, estas alternativas aún no se han generalizado.

Aquellos que requerían un rendimiento similar al de una memoria RAM real y sin volatilidad, por lo general tenían que usar dispositivos RAM convencionales y una batería de respaldo. Por ejemplo, las PC de IBM y las sucesoras que comenzaron con la PC AT de IBM usaban una memoria de BIOS no volátil, a menudo llamada RAM CMOS o RAM de parámetros, y esta era una solución común. en otros primeros sistemas de microcomputadoras 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. (En su lugar, la IBM PC y la PC XT originales usaban 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 usó ampliamente en las décadas de 1970 y 1980 para cantidades muy pequeñas de (por lo general, no más de 8 bytes). Antes de la estandarización de la industria en la arquitectura de PC de IBM, algunos otros modelos de microcomputadoras usaban RAM respaldada por batería de manera más extensa: por ejemplo, en el TRS-80 Modelo 100/Tandy 102, toda la memoria principal (8 KB mínimo, 32 KB máximo) es SRAM respaldada por batería. Además, en la década de 1990, muchos cartuchos de software de videojuegos (por ejemplo, para consolas como Sega Genesis) incluían RAM respaldada por batería para retener juegos guardados, puntajes altos y datos similares. Además, algunos gabinetes de videojuegos de arcade contienen módulos de CPU que incluyen RAM respaldada por batería que contiene claves para el descifrado del software del juego sobre la marcha. Las memorias respaldadas por batería mucho más grandes todavía se usan hoy en día como cachés para bases de datos de alta velocidad que requieren un nivel de rendimiento que los dispositivos NVRAM más nuevos 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 condujo a la introducción de la memoria de solo lectura programable y borrable, o EPROM. La EPROM consta de una rejilla de transistores cuyo terminal puerta (el "interruptor") está protegido por un aislante de alta calidad. Al "empujar" electrones en la base con la aplicación de un voltaje más alto de lo normal, los electrones quedan atrapados en el lado más alejado del aislador, por lo que encienden permanentemente el transistor. ("1"). La EPROM se puede restablecer al "estado base" (todos "1"s o "0"s, según el diseño) mediante la aplicación de luz ultravioleta (UV). Los fotones UV tienen suficiente energía para empujar los electrones a través del aislante y devolver la base a un estado fundamental. En ese momento, la EPROM se puede volver a escribir desde cero.

Pronto siguió una mejora en EPROM, EEPROM. El extra "E" significa eléctricamente, en referencia a la capacidad de restablecer la EEPROM usando electricidad en lugar de UV, lo que hace que los dispositivos sean mucho más fáciles de usar en la práctica. Los bits se restablecen con la aplicación de una potencia aún mayor a través de los otros terminales del transistor (fuente y drenaje). Este pulso de alta potencia, en efecto, succiona los electrones a través del aislador, 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 en general tienen vidas de escritura cortas, del orden de 10⁵ escrituras en cualquier bit en particular.

Un enfoque para superar la limitación del número de reescrituras es tener una SRAM estándar en la que cada bit esté respaldado por un bit EEPROM. En funcionamiento normal, el chip funciona como una SRAM rápida y, en caso de corte de energía, el contenido se transfiere rápidamente a la parte EEPROM, desde donde se vuelve a cargar en el siguiente encendido. Dichos chips fueron llamados NOVRAM por sus fabricantes.

La base de la memoria flash es idéntica a la EEPROM y difiere en gran medida en el diseño interno. Flash permite que su memoria se escriba solo en bloques, lo que simplifica enormemente el cableado interno y permite densidades más altas. La densidad de almacenamiento de la memoria es el principal factor determinante del costo en la mayoría de los sistemas de memoria de las computadoras y, debido a esto, la memoria flash se ha convertido en uno de los dispositivos de memoria de estado sólido de menor costo disponible. A partir del año 2000, la demanda de cantidades cada vez mayores de flash ha llevado a los fabricantes a utilizar solo los últimos sistemas de fabricación para aumentar la densidad tanto como sea posible. Aunque los límites de fabricación están empezando a entrar en juego, los nuevos "multi-bit" las técnicas parecen ser capaces de duplicar o cuadruplicar la densidad incluso en los anchos de línea existentes.

Alternativas comercializadas

Los ciclos de escritura limitados de Flash y EEPROM son un problema grave para cualquier función similar a la RAM real. Además, la alta potencia necesaria para escribir las celdas es un problema en los roles de baja potencia, donde a menudo se usa NVRAM. El poder también necesita tiempo para ser "construido" en un dispositivo conocido como bomba de carga, que hace que escribir sea mucho más lento que leer, a menudo hasta 1000 veces. Se han propuesto una serie de nuevos dispositivos de memoria para abordar estas deficiencias.

RAM ferroeléctrica

Hasta la fecha, el único sistema de este tipo que entró en producción generalizada es la RAM ferroeléctrica o F-RAM (a veces denominada FeRAM). F-RAM es una memoria de acceso aleatorio similar en construcción a DRAM pero (en lugar de una capa dieléctrica como en DRAM) contiene una película ferroeléctrica delgada 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, F-RAM conserva su memoria de datos cuando se apaga o se interrumpe la alimentación, debido a que el cristal PZT mantiene la polaridad. Debido a esta estructura de cristal y a cómo se ve influenciada, F-RAM ofrece propiedades distintas de otras opciones de memoria no volátil, incluida una resistencia extremadamente alta (superior a 10¹⁶ ciclos de acceso para dispositivos de 3,3 V), consumo de energía ultrabajo (dado que F-RAM no requiere una bomba de carga como otras memorias no volátiles), velocidades de escritura de ciclo único y tolerancia a la radiación gamma. 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.

RAM magnetorresistiva

Otro enfoque para ver un gran esfuerzo de desarrollo es la memoria de acceso aleatorio magnetorresistiva, o MRAM, que utiliza elementos magnéticos y, en general, funciona de manera similar al núcleo, al menos para la tecnología de primera generación. Solo un chip MRAM ha entrado en producción hasta la fecha: Everspin Technologies' Parte de 4 Mbit, que es una MRAM de primera generación que utiliza escritura inducida por campo de punto de cruce. Actualmente se están desarrollando dos técnicas de segunda generación: la conmutación asistida térmica (TAS), que está siendo desarrollada por Crocus Technology, y el torque de transferencia de giro (STT) en el que están trabajando Crocus, Hynix, IBM y varias otras compañías. STT-MRAM parece permitir densidades mucho más altas que las de la primera generación, pero va a la zaga de la memoria flash por las mismas razones que FeRAM: enormes presiones competitivas en el mercado de la memoria flash.

RAM de cambio de fase

Otra tecnología de estado sólido para ver más que un desarrollo puramente experimental es la RAM de cambio de fase o PRAM. PRAM se basa en el mismo mecanismo de almacenamiento que los CD y DVD grabables, pero los lee en función de sus cambios en la resistencia eléctrica en lugar de cambios en sus propiedades ópticas. Considerado un "caballo oscuro" Durante algún tiempo, en 2006, Samsung anunció la disponibilidad de una parte de 512 Mbit, una capacidad considerablemente mayor que MRAM o FeRAM. La densidad de área de estas partes parece ser incluso mayor que la de los dispositivos flash modernos, y el menor almacenamiento general se debe a la falta de codificación de bits múltiples. Este anuncio fue seguido por uno de Intel y STMicroelectronics, quienes demostraron sus propios dispositivos PRAM en el Intel Developer Forum 2006 en octubre.

Intel y Micron Technology tenían una empresa conjunta para vender dispositivos PRAM con los nombres 3D XPoint, Optane y QuantX, que se suspendió en julio de 2022.

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

Alternativas investigadas

Memoria de milpiés

Quizás una de las soluciones más innovadoras es la memoria milpiés, desarrollada por IBM. Millipede es, en esencia, una tarjeta perforada renderizada con nanotecnología para aumentar drásticamente la densidad del 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 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 disco duro actualmente en uso (la grabación perpendicular ofrece 636 Gbit/in² (≈98,6 Gbit/cm²) a partir de diciembre de 2011), pero la futura grabación magnética asistida por calor y los medios estampados juntos podrían admitir densidades de 10 Tbit/in² (≈1,55 Tbit/cm ²). Sin embargo, los tiempos de lectura y escritura lentos para memorias de este tamaño parecen limitar esta tecnología a los reemplazos de discos duros en lugar de usos similares a los de RAM de alta velocidad, 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 ferroeléctrico entre la puerta y el dispositivo de un transistor de efecto de campo. Se afirma que dichos dispositivos tienen la ventaja de que utilizan la misma tecnología que la litografía basada en HKMG (puerta de metal de alta L) y se escalan al mismo tamaño que un FET convencional en un nodo de proceso determinado. A partir de 2017, se han demostrado dispositivos de 32 Mbit a 22 nm.