La celda de memoria es el componente fundamental de la memoria de la computadora . La celda de memoria es un circuito electrónico que almacena un bit de información binaria y debe configurarse para almacenar un 1 lógico ( nivel de voltaje alto ) y restablecerse para almacenar un 0 lógico (nivel de voltaje bajo). Su valor se mantiene/almacena hasta que lo cambia el proceso de configuración/reinicio. Se puede acceder al valor en la celda de memoria leyéndolo.
A lo largo de la historia de la informática , se han utilizado diferentes arquitecturas de celdas de memoria, incluidas la memoria central y la memoria burbuja . Hoy [ a partir de? ] , la arquitectura de celda de memoria más común es la memoria MOS , que consta de celdas de memoria semiconductoras de óxido metálico (MOS). La memoria de acceso aleatorio (RAM) moderna utiliza transistores de efecto de campo MOS (MOSFET) como flip-flops, junto con condensadores MOS para ciertos tipos de RAM.
La celda de memoria SRAM ( RAM estática ) es un tipo de circuito flip-flop , generalmente implementado mediante MOSFET. Estos requieren muy poca energía para mantener el valor almacenado cuando no se accede a ellos. Un segundo tipo, DRAM ( RAM dinámica ), se basa en condensadores MOS. La carga y descarga de un condensador puede almacenar un '1' o un '0' en la celda. Sin embargo, la carga de este condensador se escapará lentamente y deberá actualizarse periódicamente. Debido a este proceso de actualización, la DRAM utiliza más energía. Sin embargo, la DRAM puede lograr mayores densidades de almacenamiento.
Por otro lado, la mayor parte de la memoria no volátil (NVM) se basa en arquitecturas de celdas de memoria de puerta flotante . Las tecnologías de memoria no volátil, incluidas EPROM , EEPROM y memoria flash , utilizan celdas de memoria de puerta flotante, que se basan en transistores MOSFET de puerta flotante .
La célula de la memoria es el componente fundamental de la memoria. Se puede implementar utilizando diferentes tecnologías, como bipolar , MOS y otros dispositivos semiconductores . También se puede construir con material magnético como núcleos de ferrita o burbujas magnéticas. [1] Independientemente de la tecnología de implementación utilizada, el propósito de la celda de memoria binaria es siempre el mismo. Almacena un bit de información binaria a la que se puede acceder leyendo la celda y debe configurarse para almacenar un 1 y restablecerse para almacenar un 0. [2]
Los circuitos lógicos sin celdas de memoria se denominan combinacionales , lo que significa que la salida depende únicamente de la entrada actual. Pero la memoria es un elemento clave de los sistemas digitales . En las computadoras permite almacenar tanto programas como datos y las celdas de memoria también se utilizan para el almacenamiento temporal de la salida de circuitos combinacionales para ser utilizados posteriormente por sistemas digitales. Los circuitos lógicos que utilizan celdas de memoria se denominan circuitos secuenciales , lo que significa que la salida depende no sólo de la entrada actual, sino también del historial de entradas pasadas. Esta dependencia del historial de entradas pasadas hace que estos circuitos tengan estado y son las células de memoria las que almacenan este estado. Estos circuitos requieren de un generador de temporización o reloj para su funcionamiento. [3]
La memoria de computadora utilizada en la mayoría de los sistemas informáticos contemporáneos se construye principalmente a partir de celdas DRAM; Dado que el diseño es mucho más pequeño que el de SRAM, se puede empaquetar más densamente, lo que produce una memoria más barata con mayor capacidad. Dado que la celda de memoria DRAM almacena su valor como la carga de un condensador y existen problemas de fuga de corriente, su valor debe reescribirse constantemente. Esta es una de las razones que hace que las celdas DRAM sean más lentas que las celdas SRAM (RAM estática) más grandes, que tienen su valor siempre disponible. Esta es la razón por la que la memoria SRAM se utiliza para el caché en el chip incluido en los chips de microprocesadores modernos . [4]
El 11 de diciembre de 1946, Freddie Williams solicitó una patente para su dispositivo de almacenamiento de tubos de rayos catódicos (CRT) ( tubo Williams ) con 128 palabras de 40 bits . Estuvo operativo en 1947 y se considera la primera implementación práctica de la memoria de acceso aleatorio (RAM). [5] En ese año, Frederick Viehe presentó las primeras solicitudes de patente para la memoria de núcleo magnético . [6] [7] La práctica memoria de núcleo magnético fue desarrollada por An Wang en 1948 y mejorada por Jay Forrester y Jan A. Rajchman a principios de la década de 1950, antes de ser comercializada con la computadora Whirlwind en 1953. [8] Ken Olsen también contribuyó a su desarrollo. [9]
La memoria semiconductora comenzó a principios de la década de 1960 con celdas de memoria bipolares, hechas de transistores bipolares . Si bien mejoró el rendimiento, no pudo competir con el precio más bajo de la memoria de núcleo magnético. [10]
La invención del MOSFET (transistor de efecto de campo semiconductor de óxido metálico), también conocido como transistor MOS, por Mohamed M. Atalla y Dawon Kahng en Bell Labs en 1959, [11] permitió el uso práctico de transistores de óxido metálico. Transistores semiconductores (MOS) como elementos de almacenamiento de celdas de memoria, una función que anteriormente cumplían los núcleos magnéticos . [12] Las primeras celdas de memoria modernas se introdujeron en 1964, cuando John Schmidt diseñó la primera memoria estática de acceso aleatorio (SRAM ) MOS ( PMOS ) de canal p de 64 bits. [13] [14]
La SRAM suele tener celdas de seis transistores , mientras que la DRAM (memoria dinámica de acceso aleatorio) suele tener celdas de un solo transistor. [15] [13] En 1965, la calculadora electrónica Toscal BC-1411 de Toshiba utilizaba una forma de DRAM bipolar capacitiva, que almacenaba datos de 180 bits en celdas de memoria discretas, que consistían en condensadores y transistores bipolares de germanio . [16] [17] La tecnología MOS es la base de la DRAM moderna. En 1966, Robert H. Dennard del Centro de Investigación IBM Thomas J. Watson 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 podía representar el 1 y el 0 de un bit, mientras que el transistor MOS podía controlar la escritura de la carga en el condensador. Esto lo llevó a desarrollar una celda de memoria DRAM de un solo transistor. [18] En 1967, Dennard presentó una patente para una celda de memoria DRAM de un solo transistor, basada en la tecnología MOS. [19]
La primera SRAM bipolar comercial de 64 bits fue lanzada por Intel en 1969 con la 3101 Schottky TTL . Un año después, lanzó el primer chip de circuito integrado DRAM, el Intel 1103 , basado en tecnología MOS. En 1972, batió récords anteriores en ventas de memorias de semiconductores . [20] Los chips DRAM a principios de la década de 1970 tenían celdas de tres transistores, antes de que las celdas de un solo transistor se convirtieran en estándar desde mediados de la década de 1970. [15] [13]
La memoria CMOS fue comercializada por RCA , que lanzó un chip de memoria CMOS SRAM de 288 bits en 1968. [21] La memoria CMOS era inicialmente más lenta que la memoria NMOS , que era más utilizada por las computadoras en la década de 1970. [22] En 1978, Hitachi introdujo el proceso CMOS de doble pozo, con su chip de memoria HM6147 (SRAM de 4 kb), fabricado con un proceso de 3 µm . El chip HM6147 pudo igualar el rendimiento del chip de memoria NMOS más rápido de ese momento, mientras que el HM6147 también consumió significativamente menos energía. Con un rendimiento comparable y un consumo de energía mucho menor, el proceso CMOS de doble pozo finalmente superó a NMOS como el proceso de fabricación de semiconductores más común para la memoria de computadora en la década de 1980. [22]
Los dos tipos más comunes de celdas de memoria DRAM desde la década de 1980 han sido las celdas de condensadores de trinchera y las celdas de condensadores apilados. [23] Las celdas de condensadores de zanja son lugares donde se hacen agujeros (zanjas) en un sustrato de silicio, cuyas paredes laterales se utilizan como celda de memoria, mientras que las celdas de condensadores apilados son la forma más antigua de memoria tridimensional (memoria 3D), donde Las células de memoria están apiladas verticalmente en una estructura celular tridimensional. [24] Ambos debutaron en 1984, cuando Hitachi introdujo la memoria de condensadores de trinchera y Fujitsu introdujo la memoria de condensadores apilados. [23]
El MOSFET de puerta flotante (FGMOS) fue inventado por Dawon Kahng y Simon Sze en Bell Labs en 1967. [25] Propusieron el concepto de celdas de memoria de puerta flotante, utilizando transistores FGMOS, que podrían usarse para producir ROM reprogramable (léase -sólo memoria). [26] Las celdas de memoria de puerta flotante se convirtieron más tarde en la base de las tecnologías de memoria no volátil (NVM), incluidas EPROM (ROM programable y borrable), EEPROM (ROM programable y borrable eléctricamente) y memoria flash . [27]
La memoria flash fue inventada por Fujio Masuoka en Toshiba en 1980. [28] [29] Masuoka y sus colegas presentaron la invención de la memoria flash NOR en 1984, [30] y luego la memoria flash NAND en 1987. [31] Celda multinivel (MLC ) la memoria flash fue introducida por NEC , que demostró celdas de cuatro niveles en un chip flash de 64 Mb que almacena 2 bits por celda en 1996. [23] 3D V-NAND , donde las celdas de memoria flash se apilan verticalmente usando una trampa de carga flash 3D ( CTP), fue anunciada por primera vez por Toshiba en 2007, [32] y fabricada comercialmente por primera vez por Samsung Electronics en 2013. [33] [34]
Los siguientes esquemas detallan las tres implementaciones más utilizadas para celdas de memoria:
El flip-flop tiene muchas implementaciones diferentes, su elemento de almacenamiento suele ser un pestillo que consta de un bucle de puerta NAND o un bucle de puerta NOR con puertas adicionales que se utilizan para implementar la sincronización. Su valor siempre está disponible para lectura como salida. El valor permanece almacenado hasta que se cambia mediante el proceso de configuración o reinicio. Los flip-flops normalmente se implementan mediante MOSFET .
Las celdas de memoria de puerta flotante , basadas en MOSFET de puerta flotante , se utilizan para la mayoría de las tecnologías de memoria no volátil (NVM), incluidas EPROM , EEPROM y memoria flash . [27] Según R. Bez y A. Pirovano:
Una celda de memoria de puerta flotante es básicamente un transistor MOS con una puerta completamente rodeada por dieléctricos (Fig. 1.2), la puerta flotante (FG), y gobernada eléctricamente por una puerta de control acoplada capacitivamente (CG). Al estar aislado eléctricamente, el FG actúa como electrodo de almacenamiento para el dispositivo celular. La carga inyectada en el FG se mantiene allí, permitiendo la modulación del voltaje umbral "aparente" (es decir, el VT visto desde el CG) del transistor de celda. [27]
