Memoria semiconductora

Memoria semiconductor es un dispositivo semiconductor electrónico digital que se utiliza para el almacenamiento de datos digitales, como la memoria de una computadora. Por lo general, se refiere a dispositivos en los que los datos se almacenan dentro de celdas de memoria de semiconductores de óxido metálico (MOS) en un chip de memoria de circuito integrado de silicio. Existen numerosos tipos diferentes que utilizan diferentes tecnologías de semiconductores. Los dos tipos principales de memoria de acceso aleatorio (RAM) son la RAM estática (SRAM), que utiliza varios transistores por celda de memoria, y la RAM dinámica (DRAM), que utiliza un transistor y un condensador MOS por celda. La memoria no volátil (como EPROM, EEPROM y memoria flash) utiliza celdas de memoria de puerta flotante, que constan de un único transistor de puerta flotante por celda.

La mayoría de los tipos de memoria de semiconductores tienen la propiedad de acceso aleatorio, lo que significa que se necesita la misma cantidad de tiempo para acceder a cualquier ubicación de la memoria, por lo que se puede acceder a los datos de manera eficiente en cualquier orden aleatorio. Esto contrasta con los medios de almacenamiento de datos, como los CD, que leen y escriben datos consecutivamente y, por lo tanto, sólo se puede acceder a los datos en la misma secuencia en la que fueron escritos. La memoria semiconductora también tiene tiempos de acceso mucho más rápidos que otros tipos de almacenamiento de datos; Se puede escribir o leer un byte de datos en una memoria de semiconductores en unos pocos nanosegundos, mientras que el tiempo de acceso a un almacenamiento giratorio, como los discos duros, está en el rango de milisegundos. Por estas razones, se utiliza como almacenamiento primario, para contener el programa y los datos en los que la computadora está trabajando actualmente, entre otros usos.

En 2017, las ventas de chips de memoria semiconductores ascendieron a 124 mil millones de dólares al año, lo que representa el 30 % de la industria de semiconductores. Los registros de desplazamiento, los registros de procesador, los buffers de datos y otros pequeños registros digitales que no tienen un mecanismo de decodificación de direcciones de memoria generalmente no se denominan memoria, aunque también almacenan datos digitales.

Descripción

En un chip de memoria semiconductor, cada bit de datos binarios se almacena en un pequeño circuito llamado celda de memoria que consta de uno o varios transistores. Las celdas de memoria están dispuestas en matrices rectangulares sobre la superficie del chip. Las celdas de memoria de 1 bit se agrupan en pequeñas unidades llamadas palabras a las que se accede juntas como una única dirección de memoria. La memoria se fabrica en longitudes de palabras que suelen ser una potencia de dos, normalmente N=1, 2, 4 u 8 bits.

Se accede a los datos mediante un número binario llamado dirección de memoria aplicado a los pines de dirección del chip, que especifica a qué palabra del chip se debe acceder. Si la dirección de memoria consta de M bits, el número de direcciones en el chip es 2^M, y cada una contiene un N palabra de bits. En consecuencia, la cantidad de datos almacenados en cada chip es N2^M bits. La capacidad de almacenamiento de memoria para M número de líneas de dirección viene dada por 2^M, que normalmente es potencia de dos: 2, 4, 8 , 16, 32, 64, 128, 256 y 512 y se miden en kilobits, megabits, gigabits o terabits, etc. A partir de 2014, los chips de memoria semiconductores más grandes contienen unos pocos gigabits de datos, pero constantemente se desarrollan memorias de mayor capacidad. Al combinar varios circuitos integrados, la memoria se puede organizar en una longitud de palabra y/o espacio de direcciones mayor que el que ofrece cada chip, a menudo, pero no necesariamente, una potencia de dos.

Las dos operaciones básicas realizadas por un chip de memoria son "leer", en la que se lee el contenido de datos de una palabra de memoria (de forma no destructiva), y &#34 ;escribir" en el que los datos se almacenan en una palabra de memoria, reemplazando cualquier dato que se almacenó anteriormente allí. Para aumentar la velocidad de datos, en algunos de los últimos tipos de chips de memoria, como DDR SDRAM, se accede a varias palabras con cada operación de lectura o escritura.

Además de los chips de memoria independientes, los bloques de memoria semiconductora son partes integrales de muchos circuitos integrados de procesamiento de datos y computadoras. Por ejemplo, los chips de microprocesador que hacen funcionar las computadoras contienen memoria caché para almacenar instrucciones en espera de ejecución.

Tipos

Memoria volátil

La memoria volátil pierde sus datos almacenados cuando se apaga el chip de memoria. Sin embargo, puede ser más rápida y menos costosa que la memoria no volátil. Este tipo se utiliza para la memoria principal en la mayoría de las computadoras, ya que los datos se almacenan en el disco duro mientras la computadora está apagada. Los tipos principales son:

RAM (memoria de acceso aleatorio): se ha convertido en un término genérico para cualquier memoria semiconductora en la que se pueda escribir y leer, a diferencia de ROM (abajo), que solo se puede leer. Toda la memoria de semiconductores, no sólo la RAM, tiene la propiedad de acceso aleatorio.

• DRAM ()Memoria dinámica de acceso al azar) – Esto utiliza células de memoria consistentes en un transistor de efecto de campo MOSFET y un condensador MOS para almacenar cada bit. Este tipo de RAM es el más barato y más alto en densidad, por lo que se utiliza para la memoria principal en las computadoras. Sin embargo, la carga eléctrica que almacena los datos en las células de memoria se filtra lentamente, por lo que las células de memoria deben ser periódicamente refrescadas (reescritas) que requieren circuitos adicionales. El proceso de actualización es manejado internamente por el ordenador y es transparente para su usuario.
  • FPM DRAM ()Modo de página rápida DRAM) – Un tipo antiguo de DRAM asincrónico que mejoró en tipos anteriores permitiendo que los accesos repetidos a una sola "página" de memoria se produzcan a un ritmo más rápido. Usado a mediados de los 90.
  • EDO DRAM ()Datos extendidos fuera DRAM) – Un tipo antiguo de DRAM asincrónico que tenía un tiempo de acceso más rápido que los tipos anteriores al poder iniciar un nuevo acceso a la memoria mientras que los datos del acceso anterior todavía se estaban transfiriendo. Se utiliza en la parte posterior del decenio de 1990.
  • VRAM ()Video memoria de acceso aleatorio) – Un tipo antiguo de memoria de doble puerto una vez utilizado para los amortiguadores de marco de adaptadores de vídeo (tarjetas de vídeo).
  • SDRAM ()memoria de acceso aleatorio dinámico sincrónico) – Este circuito añadido al chip DRAM que sincroniza todas las operaciones con una señal de reloj añadido al bus de memoria del ordenador. Esto permitió que el chip procesara múltiples solicitudes de memoria simultáneamente tuberíasPara aumentar la velocidad. Los datos del chip también se dividen bancos que puede cada trabajo en una operación de memoria simultáneamente. Esto se convirtió en el tipo dominante de memoria de la computadora para alrededor del año 2000.
    • DDR SDRAM ()Tasa de datos doble SDRAM) – Esto podría transferir dos veces los datos (dos palabras consecutivas) en cada ciclo del reloj mediante doble bombeo (transferir datos tanto en los bordes del pulso del reloj y el aumento). Las extensiones de esta idea son la técnica actual (2012) que se utiliza para aumentar la tasa de acceso a la memoria y el rendimiento. Puesto que resulta difícil aumentar aún más la velocidad del reloj interno de los chips de memoria, estos chips aumentan la tasa de transferencia transfiriendo más palabras de datos en cada ciclo del reloj
      • DDR2 SDRAM – Transferencias 4 palabras consecutivas por ciclo de reloj interno
      • DDR3 SDRAM – Transfiere 8 palabras consecutivas por ciclo de reloj interno.
      • DDR4 SDRAM – Transferencias 16 palabras consecutivas por ciclo de reloj interno.
    • RDRAM ()Rambus DRAM) – Un estándar de memoria de doble frecuencia de datos alternativo que se utilizó en algunos sistemas de Intel pero finalmente se perdió a DDR SDRAM.
      • XDR DRAM ()Tasa de datos extrema DRAM)
    • SGRAM ()Gráficos sincronizados RAM) – Un tipo especializado de SDRAM hecho para adaptadores gráficos (tarjetas de vídeo). Puede realizar operaciones relacionadas con gráficos como el enmascaramiento de bits y el bloqueo de escritura, y puede abrir dos páginas de memoria a la vez.
      • GDDR SDRAM ()Gráficos DDRAM SDRAM)
        • GDDR2
        • GDDR3 SDRAM
        • GDDR4 SDRAM
        • GDDR5 SDRAM
        • GDDR6 SDRAM
    • HBM ()Alta ancho de banda Memoria) – Un desarrollo de SDRAM utilizado en tarjetas gráficas que pueden transferir datos a un ritmo más rápido. Se compone de múltiples chips de memoria apilados uno encima del otro, con un bus de datos más amplio.
  • PSRAM ()RAM Pseudostatica) – Este es DRAM que tiene circuitos para realizar el refresco de memoria en el chip, de modo que actúa como SRAM, permitiendo que el controlador de memoria externo se desactiva para ahorrar energía. Se utiliza en algunas consolas de juego como el Wii.
• SRAM ()Memoria de acceso aleatorio estático) – Esto almacena cada bit de datos en un circuito llamado un flip-flop, hecho de 4 a 6 transistores. SRAM es menos denso y más caro por poco que DRAM, pero más rápido y no requiere refresco de memoria. Se utiliza para recuerdos de caché más pequeños en las computadoras.
• CAM ()Memoria accesible al contenido) – Este es un tipo especializado en el que, en lugar de acceder a los datos utilizando una dirección, se aplica una palabra de datos y la memoria devuelve la ubicación si la palabra se almacena en la memoria. Se incorpora principalmente en otros chips como microprocesadores donde se utiliza para la memoria de caché.

Memoria no volátil

La memoria no volátil (NVM) conserva los datos almacenados en ella durante los períodos en que se apaga la potencia del chip. Por lo tanto, se utiliza para la memoria en dispositivos portátiles, que no tienen discos, y para tarjetas de memoria desmontables entre otros usos. Los tipos principales son:

• ROM ()Memoria sólo lectura) – Esto está diseñado para mantener datos permanentes, y en el funcionamiento normal sólo se lee, no se escribe a. Aunque se pueden escribir muchos tipos, el proceso de escritura es lento y generalmente todos los datos del chip deben ser reescritos de inmediato. Generalmente se utiliza para almacenar software del sistema que debe ser inmediatamente accesible al ordenador, como el programa BIOS que inicia el ordenador, y el software (microcode) para dispositivos portátiles y ordenadores integrados como microcontroladores.
  • MROM (Mask programado ROM o Mask ROM) – En este tipo los datos se programan en el chip cuando se fabrica el chip, por lo que sólo se utiliza para grandes carreras de producción. No puede ser reescrito con nuevos datos.
  • PROM ()Memoria de sólo lectura programable) – En este tipo los datos se escriben en un chip PROM existente antes de que se instale en el circuito, pero sólo se puede escribir una vez. Los datos están escritos conectando el chip en un dispositivo llamado programador PROM.
  • EPROM ()Memoria de sólo lectura programable borrable o UVEPROM) – En este tipo los datos en él pueden ser reescritos eliminando el chip de la placa de circuito, exponiéndolo a una luz ultravioleta para borrar los datos existentes, y enchufarlo en un programador PROM. El paquete IC tiene una pequeña "ventana" transparente en la parte superior para admitir la luz UV. A menudo se utiliza para prototipos y pequeños dispositivos de ejecución de la producción, donde el programa en él puede tener que cambiar en la fábrica.

    

  • EEPROM ()Memoria de sólo lectura de uso electrónico) – En este tipo los datos pueden ser reescritos eléctricamente, mientras que el chip está en el circuito, pero el proceso de escritura es lento. Este tipo se utiliza para mantener el firmware, el microcódigo de bajo nivel que ejecuta dispositivos de hardware, como el programa BIOS en la mayoría de los ordenadores, para que pueda ser actualizado.
• NVRAM ()Memoria de acceso aleatorio no volátil)
  • FRAM ()RAM ferroeléctrica) – Un tipo de RAM no volátil.
• Memoria Flash – En este tipo el proceso de escritura es intermedio en velocidad entre EEPROMS y memoria RAM; se puede escribir a, pero no lo suficientemente rápido para servir como memoria principal. A menudo se utiliza como una versión semiconductora de un disco duro, para almacenar archivos. Se utiliza en dispositivos portátiles como PDAs, unidades flash USB y tarjetas de memoria desmontables utilizadas en cámaras digitales y teléfonos celulares.

Historia

Las primeras memorias de las computadoras consistían en una memoria de núcleo magnético, ya que los primeros semiconductores electrónicos de estado sólido, incluidos transistores como el transistor de unión bipolar (BJT), no eran prácticos para su uso como elementos de almacenamiento digital (células de memoria). Las primeras memorias semiconductoras se remontan a principios de los años 1960, con memoria bipolar, que utilizaba transistores bipolares. La memoria semiconductora bipolar fabricada a partir de dispositivos discretos fue enviada por primera vez por Texas Instruments a la Fuerza Aérea de los Estados Unidos en 1961. El mismo año, se propuso el concepto de memoria de estado sólido en un chip de circuito integrado (IC). por el ingeniero de aplicaciones Bob Norman de Fairchild Semiconductor. El primer circuito integrado de memoria de un solo chip fue el IBM SP95 BJT de 16 bits fabricado en diciembre de 1965, diseñado por Paul Castrucci. Si bien la memoria bipolar ofrecía un rendimiento mejorado con respecto a la memoria de núcleo magnético, no podía competir con el precio más bajo de la memoria de núcleo magnético, que siguió siendo dominante hasta finales de los años 1960. La memoria bipolar no logró reemplazar la memoria de núcleo magnético porque los circuitos bipolares flip-flop eran demasiado grandes y costosos.

Memoria MOS

La llegada del transistor de efecto de campo semiconductor de óxido metálico (MOSFET), inventado por Mohamed M. Atalla y Dawon Kahng en Bell Labs en 1959, permitió el uso práctico de transistores semiconductores de óxido metálico (MOS) como elementos de almacenamiento de celdas de memoria, una función que anteriormente cumplían los núcleos magnéticos en la memoria de la computadora. La memoria MOS fue desarrollada por John Schmidt en Fairchild Semiconductor en 1964. Además de un mayor rendimiento, la memoria MOS era más barata y consumía menos energía que la memoria de núcleo magnético. Esto llevó a que los MOSFET eventualmente reemplazaran a los núcleos magnéticos como elementos de almacenamiento estándar en la memoria de la computadora.

En 1965, J. Wood y R. Ball del Royal Radar Establishment propusieron sistemas de almacenamiento digital que utilizan celdas de memoria CMOS (MOS complementarias), además de dispositivos de potencia MOSFET para la fuente de alimentación, acoplamiento cruzado conmutado, interruptores y almacenamiento de línea de retardo. 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. La memoria NMOS fue comercializada por IBM a principios de los años 1970. La memoria MOS superó a la memoria de núcleo magnético como tecnología de memoria dominante a principios de los años 1970.

El término "memoria" cuando se usa con referencia a computadoras, con mayor frecuencia se refiere a memoria volátil de acceso aleatorio (RAM). Los dos tipos principales de RAM volátil son la memoria estática de acceso aleatorio (SRAM) y la memoria dinámica de acceso aleatorio (DRAM). La SRAM bipolar fue inventada por Robert Norman en Fairchild Semiconductor en 1963, seguida por el desarrollo de MOS SRAM por John Schmidt en Fairchild en 1964. La SRAM se convirtió en una alternativa a la memoria de núcleo magnético, pero requería seis transistores MOS para cada bit de datos. El uso comercial de SRAM comenzó en 1965, cuando IBM presentó su chip SRAM SP95 para el System/360 Modelo 95.

Toshiba introdujo celdas de memoria DRAM bipolar para su calculadora electrónica Toscal BC-1411 en 1965. Si bien ofrecía un rendimiento mejorado en comparación con la memoria de núcleo magnético, la DRAM bipolar no podía competir con el precio más bajo de la memoria de núcleo magnético entonces dominante. La tecnología MOS es la base de la DRAM moderna. En 1966, el Dr. Robert H. Dennard del Centro de Investigación IBM Thomas J. Watson estaba trabajando en la memoria MOS. Mientras examinaba las características de la tecnología MOS, descubrió que era capaz de construir condensadores, y que almacenar una carga o ninguna carga en el condensador MOS podía representar el 1 y el 0 de un bit, mientras que el transistor MOS podía controlar la escritura de la carga en el condensador. Esto lo llevó a desarrollar una celda de memoria DRAM de un solo transistor. En 1967, Dennard presentó una patente ante IBM para una celda de memoria DRAM de un solo transistor, basada en tecnología MOS. Esto llevó al primer chip DRAM IC comercial, el Intel 1103, en octubre de 1970. La memoria dinámica de acceso aleatorio síncrona (SDRAM) debutó más tarde con el chip Samsung KM48SL2000 en 1992.

El término "memoria" También se suele utilizar para referirse a la memoria no volátil, específicamente a la memoria flash. Tiene su origen en la memoria de sólo lectura (ROM). La memoria programable de sólo lectura (PROM) fue inventada por Wen Tsing Chow en 1956, mientras trabajaba para la División Arma de la American Bosch Arma Corporation. En 1967, Dawon Kahng y Simon Sze de Bell Labs propusieron que la puerta flotante de un dispositivo semiconductor MOS podría usarse para la celda de una memoria de sólo lectura (ROM) reprogramable, lo que llevó a Dov Frohman de Intel a inventar la EPROM (PROM borrable). ) en 1971. La EEPROM (PROM borrable eléctricamente) fue desarrollada por Yasuo Tarui, Yutaka Hayashi y Kiyoko Naga en el Laboratorio Electrotécnico del Ministerio de Industria y Comercio Internacional (MITI) de Japón en 1972. La memoria flash fue inventada por Fujio Masuoka en Toshiba a principios de los años 1980. Masuoka y sus colegas presentaron la invención de la memoria flash NOR en 1984, y luego de la memoria flash NAND en 1987. Toshiba comercializó la memoria flash NAND en 1987.

Aplicaciones