Un poco de ciencia, por favor

Los orígenes del almacenamiento de la información (y XIV): dentro de una memoria Flash

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)

 

Este artículo está destinado a describir al funcionamiento de las memorias Flash, cuya historia analicé en el artículo anterior de esta serie:

Un disco duro de estado sólido. Cada uno de los chips de la imagen está integrado por cientos o incluso miles de millones de unidades o celdas de almacenamiento como las que describiré en este artículo

 

1. Estructura básica de una memoria Flash

Una memoria Flash es una estructura basada en un dispositivo electrónico denominado Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor (MOSFET), cuyos principios de operación describí en este texto (recomiendo leerlo para seguir mejor este artículo). Recordaré brevemente su principio de operación: es un dispositivo que separa dos zonas denominadas Fuente y Drenador mediante una región intermedia constituida por una estructura MOS (Metal Oxide Semiconductor) denominada en castellano Puerta (ver la figura siguiente). Aplicando tensiones adecuadas a las tres zonas, se puede hacer fluir corriente entre la Fuente y el Drenador. Una memoria Flash es una variante del MOSFET, tal y como describiré en el siguiente párrafo:

Corte transversal esquemático de una unidad de memoria Flash. Izquierda: estructura de la unidad. Centro: acción de grabar. Derecha: acción de borrar

 

2. Proceso de escritura/borrado de la información de una celda Flash

En esencia, la unidad de almacenamiento de una memoria Flash es parecida al "grifo" de una memoria RAM, pero con una zona intermedia algo más compleja, la figura anterior lo muestra con detalle. En efecto, una unidad de memoria Flash es muy similar a un MOSFET, salvo en la región de la Puerta, en la que hay una estructura integrada por dos metales en vez de uno como ocurre en el MOSFET convencional. Esa zona intermedia, la Puerta, consta de dos finas capas metálicas (señaladas con flechas en el dibujo, denominadas Puerta de Control y Puerta Flotante) y ambas están inmersas totalmente en un material no conductor que es SiO2 (Óxido de Silicio).

La imagen de la izquierda de la figura anterior muestra un corte esquemático de una memoria Flash. En la zona central de la imagen, un paquete de electrones que codifica un determinado dato, fluye por debajo de la región de la Puerta, a través de una zona que se denomina Canal. Mediante la aplicación de una tensión adecuada a la Puerta de Control (20 V, en el ejemplo de la figura), ese paquete es atraído hacia la Puerta Flotante; en ese momento, los electrones atraviesan el aislante (el SiO2) y se quedan atrapados en la Puerta Flotante; el aislante que rodea la estructura por todas partes hace las veces de una pared, impidiendo a los electrones escaparse. De esta forma queda almacenada la información codificada por ese paquete de electrones. Si quisiéramos borrar ese dato, bastaría con aplicar una tensión adecuada en el sustrato, lo que se puede ver en la parte derecha de la imagen anterior.

Las memorias Flash están integradas por muchos dispositivos idénticos al de la figura anterior, cada uno de los cuales se denomina "celda", que almacenan/no almacenan electrones en la Puerta Flotante. Si una unidad Flash almacena electrones se entiende que tiene guardado un "0", mientras que si no tiene electrones, se entiende que tiene guardado un "1", tal y como veremos en el siguiente punto del artículo. El estado natural del transistor se entiende que es un "1", es decir, sin electrones atrapados en la Puerta Flotante. Por lo tanto, para almacenar un "1" no es necesario aplicar una tensión en la Puerta de Control, mientras que para almacenar un "0" en una celda que no tiene electrones en su Puerta Flotante, sí es necesario aplicar tensión a la Puerta de Control. Tras guardar de este modo la información codificada (celdas con electrones en la Puerta Flotante o celdas sin los mismos) se debe leer esta información, proceso que tiene lugar tal y como describo en el punto siguiente.

El siguiente vídeo muestra de manera gráfica algunas cuestiones interesantes de las celdas Flash:

 

La diferencia esencial entre las memorias Flash y las memorias RAM, es que cuando se apaga el ordenador, el paquete de electrones permanece confinado en la Puerta Flotante, quedándose guardada la información asociada al mismo por tiempo indefinido; a esta acción se la denomina escribir. Esta es la operación que realiza el ordenador cuando hacemos clic en el símbolo del disquete. Cuando se quiere borrar el dato, basta con aplicar la tensión adecuada para que el paquete de electrones realice el camino inverso, desapareciendo de la Puerta Flotante donde estaba guardado.

 

3. ¿Cómo se lee la información en una memoria Flash?

La figura siguiente muestra un dibujo esquemático de un disco duro de estado sólido simplificado, del que nos vamos a servir para mostrar cómo se lee la información almacenada en las unidades (celdas) que lo componen. El dibujo muestra un dispositivo capaz de almacenar 32 bits de información, que están organizados en ocho filas y cuatro columnas. Cada bit se almacena en cada uno de las 32 celdas, cada una de las cuales tiene una estructura idéntica a la descrita en la primera figura de este artículo:

Esquema simplificado de un disco duro de estado sólido de 32 bits. La parte derecha de la imagen muestra cómo es cada unidad de almacenamiento, en las dos situaciones posibles: sin carga atrapada en la Puerta Flotante (un "1", arriba) y con carga atrapada (un "0", abajo)

Cada bit, es decir cada celda, se selecciona para almacenar información aplicando voltajes apropiados a su "línea de palabra" (Word line) y a su "línea de bit"  (Bit line) correspondientes. El lado derecho de la figura muestra un diagrama ampliado de la celda correspondiente a la línea de palabras seis y la línea de bits tres.

Para proceder a la lectura de la información, la carga almacenada en la Puerta Flotante de cada celda (el paquete de electrones descrito en el párrafo anterior) condiciona que exista flujo o no de corriente a través del Canal de la celda. Para leer los datos almacenados en la celda, se debe medir la corriente que circula por el Canal de la misma. Si se detecta flujo de corriente, la electrónica de lectura (no mostrada en la imagen anterior) lee un bit "1", situación que ocurre cuando no hay carga atrapada en la Puerta Flotante de la celda en cuestión. Si no se detecta el flujo de corriente, situación que se produce cuando hay carga atrapada, se leerá un bit "0". Es decir, si no circula corriente por el Canal de una celda, significa que la carga almacenada en la Puerta Flotante impide la circulación de esa corriente, y eso la electrónica del sistema lo interpreta como un "0". Si por el Canal de la celda hay circulación de corriente, significa que no hay electrones almacenados en la Puerta Flotante, permitiendo la circulación de corriente; ahora la electrónica de lectura lo interpreta como un "1".

4. Evolución y futuro de las memorias Flash

La evolución de la tecnología de  las memorias Flash es impresionante. La siguiente figura muestra una imagen de una pequeña zona de una memoria Flash de Samsung de 128 Gb:

Imagen obtenida por microscopía electrónica de barrido de una zona integrada por cuatro celdas  de una memoria Nand Flash. Se detallan los elementos constituyentes y la escala para hacerse una idea de lo reducido del dispositivo. Fuente: Samsung 90 nm Flash memory

 

Una memoria Flash es capaz de soportar cerca de 100.000 ciclos de grabado/borrado, antes de que el dispositivo se degrade, en contraste con las memorias de soporte magnético, que aguantan del orden de 15.000 ciclos.

En la actualidad, estamos cerca del límite de empaquetamiento de unidades de almacenamiento en la superficie del chip (no es posible hacerlos más pequeños ya, debido a que la interacción entre ellos los vuelve inútiles), los fabricantes de memorias están empezando a diseñar dispositivos en los que el empaquetamiento se hace en 3-D, es decir además de en la superficie del chip, se fabrican sucesivos "pisos" de unidades de memoria, interconectados entre sí; de hecho, ya hay fabricantes que comercializan memorias basadas en esta tecnología:

 Esquema de una memoria Flash NAND 3-D comercializada por Micron. Puede almacenar hasta 6 TB de datos

El siguiente vídeo muestra una reproducción de lo que el fabricante Micron está comercializando: ¡una memoria de 176 pisos!

 

En el más o menos inmediato futuro, las memorias Flash pueden inaugurar la próxima era de la tecnología informática. Varios terabytes (1 Tera = 10¹², o lo que es lo mismo, un billón de datos) de datos cabrán en la palma de la mano y un petabyte (1 Peta = 1000 × 10¹², unos 250 millones de canciones, o el equivalente a 1500 años de música almacenable en un MP3) se podrá transportar en el bolsillo del pantalón. Esto tendrá una repercusión directa no sólo en la capacidad de almacenado, sino también en la enorme potencia de cálculo de los ordenadores del futuro.

El siguiente vídeo muestra el proceso completo de fabricación de un disco duro de estado sólido, basado en las memorias Flash descritas en este artículo:


5. Epílogo

Con este artículo termino la serie de 14 textos dedicados a la historia y a la actualidad de los medios de almacenamiento de los datos. Espero que todos aquellos lectores interesados por esta cuestión hayan obtenido una información suficiente como para comprender la enorme complejidad implicada en este proceso y cómo el ingenio de los científicos e ingenieros involucrados en él ha ido encontrando soluciones al problema perpetuo: la necesidad de almacenar cantidades de información siempre crecientes. Finalizo con los datos que cité en el primer artículo de esta serie:

En el universo digital, se estima que en la actualidad, hay más de ¡4 × 10²² bits (40 zettabits) de datos! Esto equivale a los datos almacenados en ¡un billón (10¹²) de Blu-rays! Cerca del 90% de esos datos se han generado en la última década; cada día se crean 3000 × 10¹² bits (3 petabits) de nuevos datos y esa cantidad no deja de crecer un año tras otro, lo que implica que cada vez necesitamos de más dispositivos con prestaciones siempre crecientes, capaces de guardarlos.

Tras el recorrido que hemos hecho en estos 14 artículos, que abarcan casi tres siglos de ciencia, tecnología y sobre todo imaginación, podemos decir que sí, hemos aprendido a hacer dispositivos capaces de guardar la información.