Un poco de ciencia, por favor

Los orígenes del almacenamiento de la información (XI): clasificando las memorias de semiconductores

Ignacio Mártil
Catedrático de Electrónica de la Universidad Complutense de Madrid y miembro de la Real Sociedad Española de Física

(El contenido de este artículo está recogido de forma más amplia y detallada en el Capítulo 5 de mi libro: "Microelectrónica. La historia de la mayor revolución silenciosa del siglo XX"; 2018, Ediciones Complutense).

En los dos artículos anteriores de esta serie describí los orígenes de las memorias basadas en semiconductores y la fundación de Intel, empresa que introdujo de forma masiva estas memorias en el mercado. En este voy a detallar los principales tipos de estas memorias, para analizarlas con detalle en artículos posteriores:

Chips de una memoria RAM  de 8 Gb fabricados por Samsung en tecnología de 10 nm insertados en una tarjeta de memoria de un ordenador personal

 

1. Clasificación de las memorias de semiconductores

Desde el punto de vista de su manera de operar, las memorias basadas en semiconductores se pueden clasificar atendiendo a su capacidad de almacenar información de manera temporal (volátil) o permanente (no volátil). La memoria que se ocupa del trabajo con el ordenador es la RAM ("Random Acces Memory"), es una memoria volátil, es decir, cuando se apaga el ordenador la información que ha utilizado se pierde. Esta memoria, por lo tanto, pierde los datos utilizados tan pronto como se apaga el sistema; es decir, requiere estar conectada permanentemente a una fuente de energía eléctrica para seguir siendo viable. La mayoría de los tipos de memoria de acceso aleatorio (RAM) entran en esta categoría de memorias volátiles.

Por otra parte, el ordenador posee las denominadas memorias no volátiles, que son unos dispositivos que no pierden sus datos cuando el sistema está apagado. Como veremos en un artículo posterior de esta serie, la unidad de memoria no volátil es una variante de dispositivo denominado MOSFET (acrónimo de Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), que describí con detalle en este artículo. Esta   memoria es la que permite guardar por tiempo indefinido la información y se denomina genéricamente disco duro (interno al ordenador) o disco externo (disco extraíble). Como también expliqué en este otro artículo, los discos duros en la actualidad son casi todos discos magnéticos, cuyo procedimiento de grabación y lectura detallé en este texto. Es de justicia reconocer que la tecnología magnética ha sido (y sigue siendo) uno de los principales logros de la tecnología electrónica del siglo XX, que he descrito en varios artículos de esta serie, pero estos dispositivos tienen algunas limitaciones muy importantes y en este momento son el punto más débil en la era de la información debido a dos causas principales: su no muy alta fiabilidad y la lentitud de acceso y extracción de la información almacenada:

Izquierda: disco duro magnético. Derecha: disco duro de estado sólido. En esencia es un conjunto de circuitos integrados de memorias Flash. Lo veremos con detalle en un artículo próximo.

 

Por estas razones, hoy en día ya hay muchos ordenadores personales que utilizan discos duros de estado sólido, que es en esencia lo mismo que un pen drive, USB -Universal Serial Bus- o las denominaciones equivalentes, pero de gran capacidad. Esta clase de memorias se denominan no volátiles y hay varios tipos que responden a esta categoría. Como ya se ha dicho, estas memorias no pierden la información cuando el ordenador se apaga, por lo que permiten almacenarla por tiempo indefinido.

La siguiente figura muestra esquemáticamente todos los tipos de memorias indicados, agrupadas en las dos principales categorías descritas, volátiles y no volátiles:

Clasificación de las memorias de semiconductores; el significado de las siglas es el siguiente: Volátiles: DRAM: Dynamic Random Access Memory; SRAM: Static Random Access Memory. No volátiles: ROM: Read Only Memory, PROM: Programmable ROM, EPROM: Erasable Programmable ROM, EEPROM y FLASH: Electrically Erasable Programmable ROM

 

A continuación describiré a grandes rasgos las características esenciales de cada una para, en artículos posteriores, analizarlas con más detalle.

 

2. Principios básicos de las memorias basadas en semiconductores

 Un chip de memoria RAM basado en semiconductores almacena datos en un pequeño circuito denominado celda de memoria. Las celdas de memoria están formadas por transistores MOSFET de tamaño increíblemente pequeño y condensadores, también de tamaño muy reducido, donde los primeros actúan como interruptores de encendido/apagado y los segundos como elementos de almacenamiento de paquetes de electrones que codifican la información.

Los dispositivos semiconductores ofrecen una alternativa mucho más fiable y de prestaciones muy superiores a las válvulas de vacío, las memorias de ferritas y las memorias magnéticas, posibilitando unas capacidades de procesado de la información muy superiores a los dispositivos mencionados. Además, a igualdad de capacidad de almacenamiento, los dispositivos semiconductores requieren para su funcionamiento una cantidad significativamente menor de energía eléctrica.

Basados también en dispositivos semiconductores, esencialmente en transistores MOSFET, es posible construir  memorias que almacenan la información de manera permanente, en contraste con las RAM, que necesitan recargarse periódicamente. Las memorias permanentes o no volátiles basadas en semiconductores fueron concebidas originalmente en la empresa Toshiba a comienzos de la década de 1980. Ese año aparecieron en el mercado unidades de memoria denominadas "Flash". Fujio Masuoka, propuso un nuevo tipo de memoria basado en un transistor MOSFET dotado de una puerta flotante que permitía borrar secciones enteras de memoria de forma rápida y fácil (Patente US 4531203) Según indicó la compañía Toshiba, el nombre Flash fue sugerido por un colega de Masuoka, Shōji Ariizumi, ya que el proceso de borrado del contenido de la memoria recordaba el flash de una cámara, por su rapidez.

A diferencia de un disco duro magnético tradicional o una unidad de almacenamiento óptico (un CD, DVD o BR), la memoria Flash no tiene partes móviles, sino que combina transistores MOSFET con una estructura física especial para realizar su trabajo. Como veremos en un artículo posterior, una unidad Flash se puede reescribir casi un número casi ilimitado de veces y no se ve afectada por interferencias electromagnéticas. Debido a esto, las unidades Flash han reemplazado por completo los célebres disquetes magnéticos para almacenamiento portátil, los conocidos Floppy disk que vimos en un artículo anterior de esta serie. Con su gran capacidad de almacenamiento y su bajo costo, las unidades Flash ahora están a punto de reemplazar a los discos duros magnéticos, CD y DVD.

En el siguiente artículo analizaré con detalle las memorias RAM y en otros dos posteriores las memorias Flash, con los que finalizaré esta serie.