La DRAM es un componente esencial en las tecnologías informáticas, pero no está exenta de defectos. En este artículo, veremos una nueva propuesta de memoria -la DRAM no volátil- y cómo se compara con las tecnologías de memoria actuales.
Los pros y los contras de las diferentes tecnologías de memoria
Cuando se habla del rendimiento de un ordenador, es muy fácil mirar la CPU y hacer una suposición por su especificación, incluyendo el número de núcleos, el hardware especializado integrado (como el hyperthreading) y el número de cachés que contiene.
Sin embargo, la E/S externa es tan importante como la propia CPU. Por eso la CPU más rápida del mercado puede ser tan lenta como una de hace 10 años si ambas utilizan el mismo hardware externo. También es la razón por la que cuando se actualiza un sistema, es esencial que el diseñador entienda qué es lo que está ralentizando su sistema.
Aquí es donde la elección de la RAM juega un papel vital.
Aunque este artículo no es en absoluto una discusión exhaustiva de todas las tecnologías de memoria que existen, la DRAM, la SRAM y la FLASH pueden darnos puntos de comparación útiles a la hora de discutir la tecnología de memoria propuesta.
DRAM
Aunque hay una amplia gama de diferentes tipos de RAM disponibles (con diferentes velocidades), casi siempre son de un tipo específico: DRAM. La DRAM (memoria dinámica de acceso aleatorio) es una tecnología de memoria basada en condensadores de carga que es increíblemente rápida y barata de implementar. También permite una alta densidad.
Pero la DRAM no está exenta de defectos.
Un bit en la DRAM puede almacenarse como la presencia o ausencia de carga en un condensador.
La DRAM es una memoria volátil, lo que significa que perderá el contenido de su memoria a medida que los condensadores que almacenan los bits se descarguen. El tiempo que tarda esto puede variar, pero normalmente, se descargará en unos pocos milisegundos. Como resultado, la DRAM requiere ciclos de actualización que leen los bits de datos y luego vuelven a escribirlos en el chip para reforzar los datos almacenados.
La DRAM también es de lectura destructiva. Esto significa que cuando se lee un bit de la DRAM, el contenido del bit de memoria al que se ha accedido se olvida y, por lo tanto, requiere una operación de reescritura. Estos dos problemas hacen que la DRAM sufra en su rendimiento, ya que requiere constantes refrescos y reescrituras para conservar sus datos.
SRAM
Otra tecnología de memoria que existe, llamada SRAM, es una tecnología de memoria volátil que no utiliza condensadores para almacenar bits. En su lugar, incluye un simple pestillo formado por seis transistores.
Aunque la SRAM también pierde la información almacenada cuando se apaga, no requiere ciclos de actualización porque su diseño de bucle de retroalimentación bloquea los datos cuando se escriben. Esto también significa que la lectura de los datos de una célula SRAM no requiere una operación de escritura para retener los datos; esto hace que la SRAM sea más rápida que la DRAM.
Célula SRAM. Imagen (modificada) utilizada por cortesía de Encyclopædia Britannica
Sin embargo, la SRAM es mucho más cara por bit, ya que requiere seis transistores, mientras que la DRAM requiere un solo transistor y un condensador. Por ello, la SRAM se encuentra a menudo en la caché de la CPU, donde sólo se necesita una pequeña cantidad de memoria de alta velocidad.
FLASH
FLASH es una tecnología de memoria que es a la vez similar y distinta de la DRAM.
En primer lugar, cada bit de la memoria FLASH está formado por un solo transistor, pero estos transistores tienen una capa especial llamada puerta flotante. Los bits se almacenan en la memoria FLASH utilizando el túnel cuántico para atrapar electrones en la capa de la puerta flotante, lo que hace que el transistor sea más o menos conductor.
Cuando se aplica un voltaje a través del bit del transistor, la capacidad conductora de ese transistor dependerá de si hay electrones atrapados en la puerta flotante.
A diferencia de la DRAM, la memoria FLASH es no volátil, lo que significa que la memoria FLASH conservará cualquier dato almacenado en ella cuando se apague. Sin embargo, aunque la memoria FLASH puede ser de acceso rápido y tiene un coste por bit relativamente bajo, tiene dos problemas que la hacen inutilizable como memoria RAM de la CPU.
Célula Flash. Imagen utilizada por cortesía de Cyferz
El primer problema es que la NAND FLASH utiliza una topología de memoria en la que los bits individuales no pueden borrarse por sí solos. En su lugar, requieren el borrado de todo un bloque de memoria (cambiar bits individuales requiere un gran ciclo de borrado/escritura).
El segundo problema es que la memoria FLASH es físicamente destructiva. La razón es que cuando se borra un bit FLASH, se requiere una gran tensión potencial (aproximadamente 20 V) para eliminar los electrones atrapados en una puerta flotante. Esto provoca una pequeña ruptura en la capa de óxido y, a lo largo de muchos ciclos de escritura, acabará destruyendo el bit.
Se puede esperar que estos transistores sobrevivan hasta 100.000 ciclos de borrado, lo que no es un problema para el almacenamiento extraíble (como una memoria USB), pero es inaceptable para su uso en DRAM.
La nueva propuesta
Los problemas con FLASH y DRAM pueden haberse resuelto con una nueva tecnología de memoria propuesta que ofrece combinar las ventajas de DRAM con las de FLASH.
Un reciente artículo publicado por el IEEE y cuyo autor es Dominic Lane y Manus Hayne, del Departamento de Física de la Universidad de Lancaster, explica cómo funciona la nueva tecnología de memoria con un método muy similar al de FLASH.
Los electrones se almacenan en una puerta flotante para retener la información. Sin embargo, los bits de memoria propuestos tienen una capa triple de AlSb/InAs que produce múltiples pozos cuánticos y es lo suficientemente gruesa como para garantizar la longevidad o almacenar información. La configuración de triple pozo también tiene menores requisitos de voltaje para la escritura y el borrado.
Esquema de la arquitectura de la NVRAM propuesta. Imagen utilizada por cortesía de Dominic Lane y Manus Hayne
El uso de múltiples bandas conductoras apiladas difiere de la memoria FLASH tradicional, ya que la memoria FLASH se basa en la capa de óxido para aislar los electrones atrapados.
La nueva memoria propuesta utiliza barreras semiconductoras alternas. Las bandas alternas producen bandas conductoras que mantienen sucesivamente energías de electrones más grandes, lo que hace que el túnel inverso de los electrones de la puerta flotante sea prácticamente imposible (produciendo así la no volatilidad).
Sin embargo, el artículo no indica claramente por qué el nuevo diseño requiere un voltaje de escritura/borrado considerablemente menor (siendo inferior a 2,3 V). Otras lecturas sugieren que el uso de múltiples barreras que están más juntas reduce el voltaje necesario para que los electrones hagan un túnel a través de la brecha.
El voltaje reducido reduce significativamente el daño hecho a las capas. A medida que los electrones se introducen en las capas de conducción, aumentan la resistencia contra los electrones que intentan volver a salir. El uso de múltiples bandas de conducción (que tienen diferentes huecos de banda de energía) significa que los electrones deben tener una energía específica para poder hacer un túnel en esas regiones.
Por lo tanto, todos los electrones atrapados en un pozo específico tendrán energías similares. Esa energía, sin embargo, no permitirá que el electrón haga un túnel hacia una banda vecina, con lo que quedará atrapado.
Conclusión
El nuevo modelo de memoria es prometedor como nueva tecnología de memoria por varias razones. La memoria es no volátil, lo que significa que conserva sus datos incluso cuando está apagada. Pero esto también significa que no hay necesidad de ciclos de actualización, lo que puede mejorar drásticamente el rendimiento.
El nuevo sistema de memoria es capaz de funcionar a velocidades similares a los tiempos de acceso de la DRAM, una característica fundamental si se pretende sustituirla.
La nueva propuesta de memoria también utiliza mucha menos energía debido a los menores voltajes de puerta necesarios. Por tanto, disipará menos calor por bit. Pero hasta que un productor de semiconductores pueda llevar este diseño al silicio, tendremos que contentarnos con la antigua DRAM.