Un poco de ciencia, por favor

Los orígenes del almacenamiento de la información (XIII): la pequeña historia de las memorias Flash

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

(Buena parte del contenido de este artículo se lo debo a mis jóvenes estudiantes Andrés Sanz, Iván Caballero y Wen Wei Chen. Durante el confinamiento de los meses de marzo, abril y mayo, hicieron un espléndido trabajo sobre las memorias Flash; ahora he recurrido a ese trabajo para escribir este artículo, tras solicitarles el correspondiente permiso)

 

En el artículo anterior de esta serie, analicé la estructura y principio de funcionamiento de las memorias volátiles de los ordenadores, las memorias RAM, que son las encargadas de permitir el trabajo con los diferentes programas y aplicaciones del mismo: procesadores de textos, hojas de cálculo, tratamiento de imágenes, etc. Como expliqué en dicho artículo, las memorias responsables de estas tareas son volátiles, por lo que no sirven para guardar la información.

Para almacenar de manera permanente datos, imágenes, audios, etc., se necesitan dispositivos que sean capaces de guardar los archivos por tiempo indefinido. Esta función la cumplen habitualmente los discos duros (Hard Drive, en lo que sigue, HD), cuyo funcionamiento tuve ocasión de describir en este otro artículo de la serie. Los HD tienen diversas limitaciones, razón por la que de manera progresiva están siendo sustituidos por los denominados "discos duros de estado sólido" cuya unidad básica de almacenamiento es lo que se denomina memoria "Flash". En este artículo, describiré la historia de su invención y en el siguiente, con el que finalizaré la serie, su principio de funcionamiento.

Comparando los tamaños de dos unidades de memoria. Izquierda: la primera unidad de almacenamiento magnético, la RAMAC 305 de IBM. Como ya vimos en otro artículo de esta serie, se dio a conocer en 1956 y era capaz de almacenar 5 MB. Derecha: un "pen-drive" actual de Scan Disk, con una capacidad de 64 GB

 

1. Los orígenes de la idea

La invención de este dispositivo, que sin lugar a dudas va a ser hegemónico en los próximos años, se remonta a 1984, cuando Fujio Masuoka, científico de la empresa Toshiba, describió el principio de funcionamiento de la memoria Flash como evolución de las memorias EEPROM ya existentes:

Fujio Masuoka, el inventor de la memoria Flash

 

Sin embargo, el camino que recorrió este dispositivo durante muchos años fue objeto de numerosas polémicas, debidas a la competencia entre Toshiba y su gran rival, la estadounidense Intel. La historia de la invención de Masuoka ilustra cómo la industria japonesa perdió la carrera de la ciencia y la tecnología de los semiconductores frente a la industria estadounidense, principalmente debido a que descuidaron la investigación básica a favor del trabajo centrado en productos ya establecidos en el mercado, que proporcionaban réditos comerciales inmediatos.

Uno de los mayores desafíos al que se enfrentó la industria de los semiconductores en la década de 1970 fue encontrar una forma de guardar la información sin que desapareciera cada vez que se apagaba la alimentación del ordenador, cosa que ocurre con las memorias RAM, como ya vimos en el artículo anterior de esta serie. Los ingenieros encontraron demasiado engorroso construir una memoria no volátil para cada bit de información. La idea de Masuoka era que la información podía almacenarse en grandes lotes o paquetes de datos en lugar de en fragmentos individuales y para ello, diseñó un procedimiento para almacenar grandes cantidades de información mediante el uso de circuitos relativamente simples y compactos.

Sin la autorización de los directivos  de Toshiba, Masuoka comenzó a pasar su "tiempo libre" (noches y fines de semana) trabajando en esta idea. En el año 1980 ya había solicitado la patente básica (Patente US 4531203) sobre un tipo de memoria Flash, conocida en la actualidad como memoria Flash de tipo NOR (not/or). Tuvieron que pasar nada menos que cuatro años hasta que pudo fabricar la primera memoria basada en su diseño, ya que hasta ese momento no tuvo la autorización necesaria por parte de la empresa para poder llevar a cabo su idea.

 

2. La memoria Flash se presenta en sociedad

Cuando Masuoka presentó finalmente en 1984 su memoria Flash en una reunión anual internacional en San José (California, EEUU), la industria estadounidense de semiconductores lo vio como una amenaza. Sus superiores en Toshiba se sorprendieron cuando varias compañías de ordenadores de EE. UU., incluyendo Intel y algunos fabricantes de automóviles, pidieron muestras de su producto. Intel puso inmediatamente a más de 300 científicos e ingenieros a trabajar a tiempo completo en el desarrollo de memorias Flash, mientras que en Toshiba dejaron que un equipo muy reducido se encargara de ayudar a Masuoka. Aunque Toshiba fue el primer fabricante en comercializar memorias Flash (un dispositivo que se usaba en automóviles), no pasó mucho tiempo antes de que Intel dominara por completo el mercado.

Intel, en un documento publicado en 1993 para conmemorar el 25 aniversario de su fundación (que ya vimos con detalle en otro artículo de esta serie),  se jactó de haber revertido el patrón habitual de que un invento estadounidense se convirtiera en un producto japonés.

En el interior de tres dispositivos de almacenamiento basados en las memorias Flash: arriba izquierda (Pen-drive),  abajo izquierda (tarjeta SD) y derecha (disco duro de estado sólido, SSD)

 

 

En años sucesivos, el trabajo de Masuoka se concentró en otro tipo de memorias, las DRAM, producto del que Toshiba era un líder mundial en aquellos años. En este campo dispuso de todos los reconocimientos de su empresa, quien puso a su disposición un equipo formado por más de 60 científicos e ingenieros trabajando para él a tiempo completo en el desarrollo de este dispositivo, una de las principales fuentes de ingresos de Toshiba.  Mientras tanto, Intel obtenía ingresos similares por la comercialización de las memorias Flash, pues estas se habían convertido en un componente esencial de los ordenadores personales y en la electrónica del automóvil. Otras compañías, como Advanced Micro Devices, Fujitsu, Sharp y Mitsubishi, comercializaron también memorias Flash.

Masuoka no había renunciado a continuar con sus ideas relativas a las memorias Flash. En 1986, pasaba la mitad de su tiempo en Estados Unidos como testigo en una demanda de patentes que involucraba a Toshiba y a Texas Instruments. Mientras esperaba su turno para testificar, comenzó a trabajar en un nuevo tipo de memoria Flash. La idea era una memoria Flash de tipo NAND (not/and) que pudiera usarse para reemplazar los discos duros de los ordenadores. La memoria NAND sacrificaba velocidad por compacidad y bajo precio, mientras que la memoria NOR debía ser ultrarrápida al estar conectada directamente a la CPU de un ordenador y almacenar su sistema básico de entrada-salida (el sistema operativo utilizado por el circuito integrado que se hace cargo de la interfaz con el usuario, como Windows, por ejemplo). El tipo NAND podía contener más del doble de la cantidad de información pero era más lento si se usaba como un disquete o disco duro.

En 1987, nuevamente sin permiso, fabricó algunos lotes de su nuevo tipo de memoria Flash. Esta vez fue capaz de dedicar recursos al proyecto para garantizar que Toshiba obtuviera un liderazgo insuperable tanto en patentes como en tecnología de producción. Su objetivo era nada menos que reemplazar el mercado de unidades de disco duro en ordenadores, que mayoritariamente eran dispositivos magnéticos, tal y como vimos en este artículo. La memoria Flash tenía y tiene muchas ventajas frente a los HD magnéticos:

1.- No tiene partes móviles mecánicas

2.- Para su funcionamiento, utiliza una cantidad de energía eléctrica insignificante en comparación con la que necesitan los discos duros magnéticos

3.- Ocupa un espacio muy reducido

 

No obstante, en aquellos años todavía era muy costosa de producir.

 

3. Un reconocimiento tardío

Por su trabajo, Masuoka recibió escaso reconocimiento por parte de Toshiba y eso ocurrió sólo después de que un periódico japonés otorgara a su nuevo tipo de memoria un premio de invención en el año 1988. Recibió múltiples ofertas de trabajo de compañías estadounidenses, pero por cuestiones culturales de aquel momento, se vio obligado a rechazarlas. Mientras tanto, la situación con su propia compañía comenzó a complicarse. Toshiba intentó promocionarle para un puesto que, a efectos prácticos, lo habría colocado en un trabajo sin subordinados. Fruto de estos desencuentros, en 1994 dejó Toshiba para convertirse en profesor en la Universidad de Tohoku, y tras numerosas declaraciones por parte de la compañía, menospreciando el impacto económico en el mercado de las memorias Flash de Masuoka, Toshiba anunció que se retiraría del negocio DRAM ¡y dedicaría más recursos a las memorias Flash! Ironías del destino y de la pésima previsión de futuro de los directivos, algo a lo que no son ajenas muchas empresas del sector de los semiconductores. La competencia entre rentabilidad inmediata o inversiones en productos con potencial, pero no probados, hace que muchos se decanten por los primeros. De esto sabemos mucho en España.

Masuoka, en la portada de la revista Forbes en julio de 2015, en la que le identifica como un "héroe no reconocido"

 

Entre los años 1994 y 1998, se desarrollaron los principales tipos de memoria Flash conocidas en la actualidad, como la SmartMedia o la CompactFlash. La tecnología pronto planteó utilizarlas para aplicaciones en otros campos. En 1998, la compañía Río comercializó el primer reproductor de audio digital sin piezas móviles aprovechando el modo de funcionamiento de la memoria Flash. Este producto inauguró una nueva clase de reproductores que causaron una revolución en la industria musical y que originó, entre otros acontecimientos, el escándalo Napster, conocida por ser la primera red que permitió el intercambio de archivos en lo que se conoce como red P2P (Peer-to-Peer), el lanzamiento del iPod y el lento pero irreversible declive de los reproductores de cinta y CD.

Desde mediados de la década de 1990, la evolución y comercialización de las memorias Flash ha llegado a pequeños dispositivos de la electrónica de consumo como los reproductores MP3 portátiles, tarjetas de memoria para videoconsolas y teléfonos móviles y un largo etcétera, siendo utilizadas incluso en la industria aeronáutica.

En el siguiente artículo, el último de esta serie, describiré el funcionamiento básico de las memorias Flash.