Memoria de acceso aleatorio no volátil

La memoria de acceso aleatorio no volátil ( NVRAM ) es una memoria de acceso aleatorio que retiene datos sin energía eléctrica. Esto contrasta con la memoria de acceso aleatorio dinámica (DRAM) y la memoria de acceso aleatorio estática (SRAM), que retienen datos solo mientras se aplica energía eléctrica, o formas de memoria de acceso secuencial como la cinta magnética , a la que no se puede acceder aleatoriamente pero que retiene datos indefinidamente sin energía eléctrica.

Los dispositivos de memoria de solo lectura se pueden utilizar 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 almacenar las instrucciones iniciales del procesador necesarias para poner en marcha un sistema informático. La memoria de lectura y escritura, como la NVRAM, 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 una interrupción de la energía. Los tipos actuales de memoria no volátil de semiconductores 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 volátil como memoria principal de un sistema, como memoria persistente . En 2021 se publicó un estándar para la memoria persistente conocido como NVDIMM-P. ^{[1] [2] [3]}

Algunas de las primeras computadoras usaban un tambor magnético que no era volátil como un subproducto de su construcción. La industria pasó a la memoria de núcleo magnético a finales de la década de 1950, que almacenaba datos en la polaridad de pequeños imanes. Dado que los imanes mantenían su estado incluso sin energía, la memoria de núcleo también era no volátil. Otros tipos de memoria requerían energía constante para retener datos, como los flip-flops de tubo de vacío o de estado sólido , los tubos Williams y la memoria de semiconductores (RAM estática o dinámica).

Los avances en la fabricación de semiconductores en la década de 1970 dieron lugar a una nueva generación de memorias de estado sólido que la memoria de núcleo magnético no podía igualar en cuanto a costo o densidad. Hoy en día, la RAM dinámica constituye 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 un almacenamiento permanente de las instrucciones necesarias para cargar el sistema operativo. Los sistemas integrados, como una computadora de control de motor para un automóvil, deben retener sus instrucciones cuando se corta la energía. Muchos sistemas usaban una combinación de RAM y alguna forma de ROM para estas funciones.

Una solución fueron los circuitos integrados con ROM personalizadas . El contenido de la memoria se almacenaba como un patrón de la última máscara utilizada para fabricar el circuito integrado, por lo que no se podía modificar una vez completado.

PROM mejoró este diseño, permitiendo que el usuario final escribiera el chip eléctricamente. PROM consiste en una serie de diodos que inicialmente están todos configurados con un único valor, 1 por ejemplo. Al aplicar una potencia mayor a la normal, se puede quemar un diodo seleccionado ( como un fusible ), con lo que ese bit se configura permanentemente en 0. PROM facilitó la creación de prototipos y la fabricación en pequeños volúmenes. Muchos fabricantes de semiconductores proporcionaron una versión PROM de su parte de ROM de máscara para que se pudiera probar el firmware de desarrollo antes de solicitar una ROM de máscara.

Actualmente, la forma más conocida de memoria NV-RAM y EEPROM es la memoria flash . Algunas desventajas de la memoria flash incluyen el requisito de escribirla en bloques más grandes de los que muchas computadoras pueden direccionar 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) ^{[ cita requerida ]} . Otro inconveniente son las limitaciones de rendimiento que impiden que la 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 a la 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 la flash. A junio de 2018, estas alternativas aún no se han generalizado.

Aquellos que necesitaban un rendimiento similar al de la RAM y no volatilidad, normalmente tenían que usar dispositivos de RAM convencionales y una batería de respaldo. Por ejemplo, las IBM PC y sus sucesoras, comenzando por la IBM PC AT, usaban memoria BIOS no volátil , a menudo llamada RAM CMOS o RAM de parámetros , y esta era una solución común en otros sistemas de microcomputadoras tempranos como la 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 cambio, los IBM PC y 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 los años 1970 y 1980 para cantidades muy pequeñas de datos, típicamente no más de 8 bytes). Antes de la estandarización industrial de la arquitectura IBM PC, algunos otros modelos de microcomputadoras usaban RAM respaldada por batería de manera más extensiva: por ejemplo, en el TRS-80 Model 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, puntuaciones altas y datos similares. Además, algunos gabinetes de videojuegos arcade contienen módulos de CPU que incluyen RAM respaldada por batería que contiene claves para el descifrado del software del juego sobre la marcha. Hoy en día todavía se utilizan memorias respaldadas por baterías de mucho mayor tamaño 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.

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 consiste en una red de transistores cuyo terminal de puerta (el interruptor) está protegido por un aislante de alta calidad. Al empujar los electrones hacia la base con la aplicación de un voltaje más alto de lo normal, los electrones quedan atrapados en el lado más alejado del aislante, con lo que se enciende permanentemente el transistor (1). La EPROM se puede restablecer al estado base (todos 1 o 0, según el diseño) aplicando 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 punto, la EPROM se puede reescribir desde cero.

Pronto se introdujo una mejora de la EPROM, la EEPROM . La E adicional significa eléctricamente , lo que hace referencia a la capacidad de reiniciar la EEPROM utilizando electricidad en lugar de rayos ultravioleta, lo que hace que los dispositivos sean mucho más fáciles de usar en la práctica. Los bits se reinician con la aplicación de una potencia aún mayor a través de los otros terminales del transistor ( fuente y drenador ). Este pulso de alta potencia, en efecto, succiona los electrones a través del aislante, 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 compuerta flotante en general tienen tiempos de vida de escritura cortos, del orden de 10 ⁵ escrituras en cualquier bit en particular.

Una forma de superar la limitación del número de reescrituras es tener una SRAM estándar en la que cada bit esté respaldado por un bit de 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 de EEPROM, desde donde se carga nuevamente en el siguiente encendido. Los fabricantes de estos chips denominaron NOVRAM ^{[4] .}

La base de la memoria flash es idéntica a la EEPROM y difiere en gran medida en la disposición interna. La memoria flash permite que su memoria se escriba sólo en bloques, lo que simplifica enormemente el cableado interno y permite densidades más altas. La densidad de almacenamiento de la memoria es el principal determinante del coste en la mayoría de los sistemas de memoria de ordenador, y debido a ello la memoria flash ha evolucionado hasta convertirse en uno de los dispositivos de memoria de estado sólido de menor coste disponibles. A partir de alrededor de 2000, la demanda de cantidades cada vez mayores de memoria flash ha llevado a los fabricantes a utilizar sólo los sistemas de fabricación más modernos para aumentar la densidad tanto como sea posible. Aunque los límites de fabricación están empezando a entrar en juego, las nuevas técnicas "multi-bit" parecen ser capaces de duplicar o cuadriplicar la densidad incluso con los anchos de línea existentes.

Los ciclos de escritura limitados de las memorias flash y EEPROM son un problema grave para cualquier función real similar a la RAM. Además, la alta potencia necesaria para escribir en las celdas es un problema en funciones de bajo consumo, donde se utiliza a menudo la NVRAM. La potencia también necesita tiempo para acumularse en un dispositivo conocido como bomba de carga , lo que hace que la escritura sea drásticamente más lenta que la lectura, a menudo hasta 1000 veces. Se han propuesto varios dispositivos de memoria nuevos para solucionar estas deficiencias.

Hasta la fecha, el único sistema de este tipo que ha entrado en producción generalizada es la RAM ferroeléctrica o F-RAM (a veces denominada FeRAM). La F-RAM es una memoria de acceso aleatorio similar en construcción a la DRAM pero (en lugar de una capa dieléctrica como en la DRAM) contiene una fina película ferroeléctrica de zirconato titanato de plomo [ Pb(Zr,Ti)O ₃ ], comúnmente denominada PZT. Los átomos de Zr/Ti en el PZT cambian de polaridad en un campo eléctrico, produciendo así un cambio binario. A diferencia de los dispositivos RAM, la F-RAM conserva su memoria de datos cuando se corta o interrumpe la energía, debido a que el cristal PZT mantiene la polaridad. Debido a esta estructura cristalina y cómo se ve influenciada, la F-RAM ofrece propiedades distintas a las de otras opciones de memoria no volátil, incluyendo una resistencia extremadamente alta (superior a 10 ¹⁶ ciclos de acceso para dispositivos de 3,3 V), un consumo de energía ultrabajo (ya que la 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. ^[5] 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 .

Otro enfoque que verá un mayor esfuerzo de desarrollo es la memoria de acceso aleatorio magnetoresistiva , 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: la parte de 4 Mbit de Everspin Technologies , que es una MRAM de primera generación que utiliza escritura inducida por campo de punto cruzado. ^[6] Actualmente se están desarrollando dos técnicas de segunda generación: conmutación asistida térmicamente (TAS), ^[7] que está siendo desarrollada por Crocus Technology , y torque de transferencia de espín (STT) en el que están trabajando Crocus, Hynix , IBM y varias otras empresas. ^[8] STT-MRAM parece permitir densidades mucho más altas que las de la primera generación, pero se está quedando atrás de flash por las mismas razones que FeRAM: enormes presiones competitivas en el mercado flash.

Otra tecnología de estado sólido cuyo desarrollo no es puramente experimental es la RAM de cambio de fase o PRAM. La 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 en los cambios en sus propiedades ópticas. Considerada como una sorpresa durante algún tiempo, en 2006 Samsung anunció la disponibilidad de una pieza de 512 Mbit, una capacidad considerablemente mayor que la MRAM o la FeRAM. La densidad de área de estas piezas parece ser incluso mayor que la de los dispositivos flash modernos, y el menor almacenamiento general se debe a la falta de codificación multibit. Este anuncio fue seguido por uno de Intel y STMicroelectronics , que demostraron sus propios dispositivos PRAM en el Intel Developer Forum de 2006 en octubre.

Intel y Micron Technology tenían una empresa conjunta para vender dispositivos PRAM bajo los nombres 3D XPoint , Optane y QuantX, que se suspendió en julio de 2022. ^{[9] [10]}

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

Tal vez una de las soluciones más innovadoras sea la memoria Millipede , desarrollada por IBM . Millipede es, en esencia, una tarjeta perforada diseñada utilizando nanotecnología para aumentar drásticamente la densidad del área. Aunque se planeó introducir Millipede ya en 2003, problemas inesperados en el desarrollo retrasaron esto hasta 2005, momento en el que ya no era competitiva con flash. En teoría, la tecnología ofrece densidades de almacenamiento del orden de 1 Tbit/in2 ⁽ ≈155 Gbit/cm2 ⁾ , mayor que incluso 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 ^[11] ), pero la futura grabación magnética asistida por calor y los medios estampados juntos podrían soportar densidades de 10 Tbit/in2 ^{[ 12]} (≈1,55 Tbit/cm2 ⁾ . Sin embargo, los tiempos de lectura y escritura lentos para memorias tan grandes parecen limitar esta tecnología a reemplazos de discos duros en lugar de usos similares a la RAM de alta velocidad, aunque en gran medida lo mismo ocurre con el flash.

Una aplicación alternativa de los ferroeléctricos (basados ​​en óxido de hafnio) es la memoria basada en FET de Fe , que utiliza un ferroeléctrico entre la compuerta y el dispositivo de un transistor de efecto de campo . Se afirma que estos dispositivos tienen la ventaja de que utilizan la misma tecnología que la litografía basada en HKMG (compuerta metálica 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 .

• NOVA (sistema de archivos)
• Par de transferencia de giro
• Espintrónica
• UEFI

• Soporte de sistemas de archivos en memoria persistente, LWN.net , 2 de septiembre de 2014, por Jonathan Corbet