Memoria semiconductora

La memoria semiconductora es un dispositivo semiconductor electrónico digital utilizado para el almacenamiento de datos digitales , como la memoria de la computadora . Por lo general, se refiere a dispositivos en los que los datos se almacenan dentro de celdas de memoria de metal-óxido-semiconductor (MOS) en un chip de memoria de circuito integrado de silicio . ^{[1] [2] [3]} 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 capacitor MOS por celda. La memoria no volátil (como EPROM , EEPROM y memoria flash ) utiliza celdas de memoria de compuerta flotante , que consisten en un solo transistor de compuerta flotante por celda.

La mayoría de los tipos de memoria semiconductora tienen la propiedad de acceso aleatorio , ^[4] lo que significa que se necesita la misma cantidad de tiempo para acceder a cualquier ubicación de memoria, por lo que se puede acceder a los datos de manera eficiente en cualquier orden aleatorio. ^[5] Esto contrasta con los medios de almacenamiento de datos como los CD que leen y escriben datos consecutivamente y, por lo tanto, solo se puede acceder a los datos en la misma secuencia en que fueron escritos. La memoria semiconductora también tiene tiempos de acceso mucho más rápidos que otros tipos de almacenamiento de datos; un byte de datos se puede escribir o leer desde la memoria semiconductora en unos pocos nanosegundos , mientras que el tiempo de acceso para el almacenamiento rotativo como los discos duros está en el rango de milisegundos. Por estas razones, se utiliza para el almacenamiento primario , para contener el programa y los datos en los que está trabajando actualmente la computadora, entre otros usos.

A partir de 2017 ^[update], las ventas de chips de memoria semiconductores fueron de $ 124 mil millones anuales, lo que representa el 30% de la industria de semiconductores . ^[6] Los registros de desplazamiento , registros de procesador , búferes de datos y otros registros digitales pequeños que no tienen un mecanismo de decodificación de dirección de memoria generalmente no se denominan memoria, aunque también almacenan datos digitales.

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 palabra que suelen ser una potencia de dos, normalmente N = 1, 2, 4 u 8 bits.

Los datos se acceden por medio de 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 , cada una conteniendo una palabra de N bits. En consecuencia, la cantidad de datos almacenados en cada chip es N 2 ^M bits. ^[5] La capacidad de almacenamiento de memoria para M número de líneas de dirección está dada por 2 ^M , que normalmente está en potencia de dos: 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256 y 512 y se mide en kilobits , megabits , gigabits o terabits , etc. A partir de 2014, ^[update]los chips de memoria de 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 . ^[5]

Las dos operaciones básicas que realiza un chip de memoria son la " lectura ", en la que se lee el contenido de datos de una palabra de memoria (de forma no destructiva), y la " escritura ", en la que los datos se almacenan en una palabra de memoria, reemplazando cualquier dato que estuviera previamente almacenado 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 semiconductores 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 que esperan ser ejecutadas.

La memoria volátil pierde los 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: ^{[7] [8]}

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

• DRAM ( memoria dinámica de acceso aleatorio ): utiliza celdas de memoria que constan de un MOSFET (transistor de efecto de campo MOS) y un capacitor MOS para almacenar cada bit. Este tipo de RAM es el más barato y de mayor densidad, por lo que se utiliza para la memoria principal en las computadoras. Sin embargo, la carga eléctrica que almacena los datos en las celdas de memoria se filtra lentamente, por lo que las celdas de memoria deben actualizarse periódicamente (reescribirse), lo que requiere circuitos adicionales. El proceso de actualización lo maneja internamente la computadora y es transparente para su usuario.
  • FPM DRAM ( Fast page mode DRAM ): un tipo más antiguo de DRAM asincrónica que mejoraba los tipos anteriores al permitir que los accesos repetidos a una sola "página" de memoria se produjeran a una velocidad mayor. Se utilizó a mediados de la década de 1990.
  • EDO DRAM ( Extended data out DRAM ): un tipo más antiguo de DRAM asincrónica que tenía un tiempo de acceso más rápido que los tipos anteriores al poder iniciar un nuevo acceso a la memoria mientras los datos del acceso anterior aún se estaban transfiriendo. Se utilizó a finales de la década de 1990.
  • VRAM ( memoria de acceso aleatorio de video ): un tipo más antiguo de memoria de doble puerto que alguna vez se utilizó para los búferes de cuadros de los adaptadores de video (tarjetas de video).
  • SDRAM ( memoria de acceso aleatorio dinámico sincrónico ): este circuito añadido al chip DRAM sincroniza todas las operaciones con una señal de reloj añadida al bus de memoria de la computadora . Esto permitió que el chip procesara varias solicitudes de memoria simultáneamente mediante canalización para aumentar la velocidad. Los datos del chip también se dividen en bancos que pueden trabajar cada uno en una operación de memoria simultáneamente. Este se convirtió en el tipo dominante de memoria de computadora alrededor del año 2000.
    • DDR SDRAM ( Double data rate SDRAM ): esta tecnología podría transferir el doble de datos (dos palabras consecutivas) en cada ciclo de reloj mediante un doble bombeo (transfiriendo datos tanto en los flancos ascendentes como descendentes del pulso de reloj). Las extensiones de esta idea son la técnica actual (2012) que se utiliza para aumentar la velocidad de acceso a la memoria y el rendimiento. Dado que está resultando difícil aumentar aún más la velocidad de reloj interna de los chips de memoria, estos chips aumentan la velocidad de transferencia transfiriendo más palabras de datos en cada ciclo de reloj.
      • DDR2 SDRAM : transfiere 4 palabras consecutivas por ciclo de reloj interno
      • DDR3 SDRAM : transfiere 8 palabras consecutivas por ciclo de reloj interno.
      • DDR4 SDRAM : transfiere 16 palabras consecutivas por ciclo de reloj interno.
    • RDRAM ( Rambus DRAM ): un estándar de memoria de velocidad de datos doble alternativo que se utilizó en algunos sistemas Intel pero que finalmente perdió ante DDR SDRAM.
      • DRAM XDR ( DRAM de velocidad de datos extrema )
    • SGRAM ( Synchronous graphics RAM ): un tipo especializado de SDRAM creado para adaptadores gráficos (tarjetas de video). Puede realizar operaciones relacionadas con gráficos, como enmascaramiento de bits y escritura en bloques, y puede abrir dos páginas de memoria a la vez.
      • GDDR SDRAM ( Gráficos DDR SDRAM )
        • Memoria GDDR2
        • Memoria SDRAM GDDR3
        • Memoria SDRAM GDDR4
        • Memoria SDRAM GDDR5
        • Memoria SDRAM GDDR6
    • HBM ( High Bandwidth Memory ): desarrollo de SDRAM utilizado en tarjetas gráficas que permite transferir datos a mayor velocidad. Consiste en múltiples chips de memoria apilados uno sobre otro, con un bus de datos más amplio.
  • PSRAM ( Pseudostatic RAM ): es una memoria DRAM que tiene circuitos para actualizar la memoria en el chip, de modo que actúa como una SRAM, lo que permite apagar el controlador de memoria externa para ahorrar energía. Se utiliza en algunas consolas de juegos, como la Wii .
• SRAM ( memoria estática de acceso aleatorio ): almacena cada bit de datos en un circuito llamado flip-flop , compuesto por 4 a 6 transistores. La SRAM es menos densa y más cara por bit que la DRAM, pero más rápida y no requiere refresco de memoria . Se utiliza para memorias caché más pequeñas en computadoras.
• CAM ( Memoria direccionable por contenido ): se trata de un tipo especializado en el que, en lugar de acceder a los datos mediante una dirección, se aplica una palabra de datos y la memoria devuelve la ubicación si la palabra está almacenada en la memoria. Se incorpora principalmente en otros chips, como los microprocesadores , donde se utiliza para la memoria caché .

La memoria no volátil (NVM) conserva los datos almacenados en ella durante los periodos en los que se apaga el chip. Por ello, se utiliza para la memoria de dispositivos portátiles, que no tienen discos, y para tarjetas de memoria extraíbles , entre otros usos. Los principales tipos son: ^{[7] [8]}

• ROM ( memoria de solo lectura ): está diseñada para almacenar datos permanentes y, en condiciones normales de funcionamiento, solo se lee desde ella, no se escribe en ella. Aunque se puede escribir en muchos tipos, el proceso de escritura es lento y, por lo general, se deben reescribir todos los datos del chip a la vez. Por lo general, se utiliza para almacenar software del sistema al que la computadora debe tener acceso inmediato, como el programa BIOS que inicia la computadora y el software ( microcódigo ) para dispositivos portátiles y computadoras integradas, como microcontroladores .
  • MROM ( ROM programada con máscara o Mask ROM ): en este tipo, los datos se programan en el chip cuando se fabrica, por lo que solo se utiliza para grandes tiradas de producción. No se puede reescribir con datos nuevos.
  • PROM ( memoria programable de solo lectura ): en este tipo, los datos se escriben en un chip PROM existente antes de instalarlo en el circuito, pero solo se pueden escribir una vez. Los datos se escriben conectando el chip a un dispositivo llamado programador PROM.
  • EPROM ( memoria de solo lectura programable y borrable o UVEPROM): en este tipo, los datos que contiene se pueden reescribir quitando el chip de la placa de circuito, exponiéndolo a una luz ultravioleta para borrar los datos existentes y conectándolo a un programador PROM. El encapsulado del CI tiene una pequeña "ventana" transparente en la parte superior para admitir la luz ultravioleta. Se utiliza a menudo para prototipos y dispositivos de producción en serie pequeños, en los que es posible que el programa que contiene deba modificarse en la fábrica.

    

  • EEPROM ( memoria de solo lectura programable y borrable eléctricamente ): en este tipo, los datos se pueden reescribir eléctricamente mientras el chip está en la placa de circuito, pero el proceso de escritura es lento. Este tipo se utiliza para almacenar el firmware , el microcódigo de bajo nivel que ejecuta los dispositivos de hardware, como el programa BIOS en la mayoría de las computadoras, para que pueda actualizarse.
• 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 las memorias EEPROM y RAM; se puede escribir en ellas, pero no lo suficientemente rápido como para que sirvan como memoria principal. Se suele utilizar como una versión semiconductora de un disco duro para almacenar archivos. Se utiliza en dispositivos portátiles como PDA, unidades flash USB y tarjetas de memoria extraíbles que se utilizan en cámaras digitales y teléfonos móviles .

Las primeras memorias de ordenador consistían en memorias de núcleo magnético , ya que los primeros semiconductores electrónicos de estado sólido , incluidos los transistores como el transistor de unión bipolar (BJT), no eran prácticos para su uso como elementos de almacenamiento digital ( celdas de memoria ). La primera memoria de semiconductores se remonta a principios de los años 1960, con la memoria bipolar, que utilizaba transistores bipolares. ^{[9] La primera} memoria de semiconductores bipolares fabricada a partir de dispositivos discretos fue enviada por Texas Instruments a la Fuerza Aérea de los Estados Unidos en 1961. El mismo año, el ingeniero de aplicaciones Bob Norman propuso el concepto de memoria de estado sólido en un chip de circuito integrado (CI) en Fairchild Semiconductor . ^[10] El primer CI de memoria de un solo chip fue el BJT de 16 bits IBM SP95 fabricado en diciembre de 1965, diseñado por Paul Castrucci. ^{[9] [10]} Aunque la memoria bipolar ofrecía un rendimiento mejorado sobre 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. ^[9] La memoria bipolar no logró reemplazar a la memoria de núcleo magnético porque los circuitos flip-flop bipolares eran demasiado grandes y costosos. ^[11]

En 1957, Frosch y Derick pudieron fabricar los primeros transistores de efecto de campo de dióxido de silicio en Bell Labs, los primeros transistores en los que el drenaje y la fuente estaban adyacentes en la superficie, ^[12] después de esto, se construyó un MOSFET funcional en Bell Labs. ^{[13] [14]}

La memoria MOS fue desarrollada por John Schmidt en Fairchild Semiconductor en 1964. ^{[15] [16]} Además de un mayor rendimiento, la memoria MOS era más barata y consumía menos energía que la memoria de núcleo magnético. ^[15] Esto llevó a que los MOSFET eventualmente reemplazaran a los núcleos magnéticos como elementos de almacenamiento estándar en la memoria de la computadora. ^[17]

En 1965, J. Wood y R. Ball del Royal Radar Establishment propusieron sistemas de almacenamiento digital que utilizan celdas de memoria CMOS (MOS complementarios), además de dispositivos de potencia MOSFET para la fuente de alimentación , acoplamiento cruzado conmutado, interruptores y almacenamiento de línea de retardo . ^[18] El desarrollo de la tecnología de circuito integrado MOS de compuerta de silicio (MOS IC) por Federico Faggin en Fairchild en 1968 permitió la producción de chips de memoria MOS . ^{[19] La memoria} NMOS fue comercializada por IBM a principios de la década de 1970. ^[20] La memoria MOS superó a la memoria de núcleo magnético como la tecnología de memoria dominante a principios de la década de 1970. ^[15]

El término "memoria" cuando se utiliza en relación con las computadoras se refiere con mayor frecuencia a la 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, ^[9] seguida por el desarrollo de la SRAM MOS por John Schmidt en Fairchild en 1964. ^[15] La SRAM se convirtió en una alternativa a la memoria de núcleo magnético, pero requería seis transistores MOS para cada bit de datos. ^[21] El uso comercial de la SRAM comenzó en 1965, cuando IBM presentó su chip SRAM SP95 para el System/360 Model 95. [ ^9]

Toshiba introdujo las celdas de memoria DRAM bipolares para su calculadora electrónica Toscal BC-1411 en 1965. ^{[22] [23]} Si bien ofrecía un rendimiento mejorado sobre la memoria de núcleo magnético, la DRAM bipolar no podía competir con el precio más bajo de la memoria de núcleo magnético dominante en ese momento. ^[24] La tecnología MOS es la base de la DRAM moderna. En 1966, el Dr. Robert H. Dennard en el Centro de Investigación Thomas J. Watson de IBM 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 podría representar el 1 y el 0 de un bit, mientras que el transistor MOS podría controlar la escritura de la carga en el condensador. Esto lo llevó al desarrollo de una celda de memoria DRAM de un solo transistor. ^[21] En 1967, Dennard presentó una patente bajo IBM para una celda de memoria DRAM de un solo transistor, basada en tecnología MOS. ^[25] Esto condujo al primer chip IC DRAM comercial, el Intel 1103 , en octubre de 1970. ^{[26] [27] [28]} La memoria de acceso aleatorio dinámico sincrónico (SDRAM) debutó más tarde con el chip Samsung KM48SL2000 en 1992. ^{[29] [30]}

El término "memoria" también se utiliza a menudo para referirse a la memoria no volátil , en concreto a la memoria flash . Tiene su origen en la memoria de solo lectura (ROM). La memoria de solo lectura programable (PROM) fue inventada por Wen Tsing Chow en 1956, mientras trabajaba para la División Arma de la corporación estadounidense Bosch Arma. ^{[31] [32]} 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 solo lectura reprogramable (ROM), lo que llevó a Dov Frohman de Intel a inventar la EPROM (PROM borrable) en 1971. ^[33] La EEPROM (PROM borrable eléctricamente) fue desarrollada por Yasuo Tarui, Yutaka Hayashi y Kiyoko Naga en el Laboratorio Electrotécnico del Ministerio de Comercio Internacional e Industria (MITI) de Japón en 1972. ^[34] La memoria flash fue inventada por Fujio Masuoka en Toshiba a principios de los años 1980. ^{[35] [36]} Masuoka y sus colegas presentaron la invención de la memoria flash NOR en 1984, ^[37] y luego la memoria flash NAND en 1987. ^[38] Toshiba comercializó la memoria flash NAND en 1987. ^{[39] [40]}

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