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 reiniciarse para almacenar un 0 lógico (nivel de voltaje bajo). Su valor se mantiene/almacena hasta que se modifica mediante el proceso de configuración/reinicio. Se puede acceder al valor de 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 de núcleo y la memoria de burbuja . En la actualidad , la arquitectura de celda de memoria más común es la memoria MOS , que consta de celdas de memoria de metal-óxido-semiconductor (MOS). La memoria de acceso aleatorio (RAM) moderna utiliza transistores de efecto de campo MOS (MOSFET) como flip-flops, junto con capacitores MOS para ciertos tipos de RAM.
La celda de memoria SRAM ( RAM estática ) es un tipo de circuito flip-flop , implementado típicamente con 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 capacitores MOS. La carga y descarga de un capacitor puede almacenar un "1" o un "0" en la celda. Sin embargo, dado que la carga en el capacitor se disipa lentamente, debe actualizarse periódicamente. Debido a este proceso de actualización, la DRAM consume más energía, pero puede lograr densidades de almacenamiento más altas.
Por otra parte, la mayoría de las memorias no volátiles (NVM) se basan en arquitecturas de celdas de memoria de compuerta flotante . Las tecnologías de memoria no volátil, como EPROM , EEPROM y memoria flash , utilizan celdas de memoria de compuerta flotante, que se basan en transistores MOSFET de compuerta flotante .
La celda de memoria es el componente fundamental de la memoria. Puede implementarse utilizando diferentes tecnologías, como bipolar , MOS y otros dispositivos semiconductores . También puede construirse a partir de 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 al que se puede acceder leyendo la celda y debe configurarse para almacenar un 1 y reiniciarse para almacenar un 0. [2]
Los circuitos lógicos sin celdas de memoria se denominan combinacionales , lo que significa que la salida depende solo 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 los circuitos combinacionales para que los sistemas digitales los usen más tarde. Los circuitos lógicos que utilizan celdas de memoria se denominan circuitos secuenciales , lo que significa que la salida depende no solo 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 celdas de memoria las que almacenan este estado. Estos circuitos requieren un generador de tiempo o reloj para su funcionamiento. [3]
La memoria de ordenador utilizada en la mayoría de los sistemas informáticos actuales se construye principalmente a partir de celdas DRAM; dado que el diseño es mucho más pequeño que el de la SRAM, se puede empaquetar de forma más densa, lo que produce una memoria más barata y 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 por las que las celdas DRAM son más lentas que las celdas SRAM (RAM estática) más grandes, que siempre tienen su valor disponible. Esa es la razón por la que la memoria SRAM se utiliza para la memoria caché integrada en los chips de microprocesadores modernos . [4]
El 11 de diciembre de 1946 Freddie Williams solicitó una patente para su dispositivo de almacenamiento de datos de tubo de rayos catódicos (TRC) ( 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 memoria de núcleo magnético práctica 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 comercializarse con la computadora Whirlwind en 1953. [8] Ken Olsen también contribuyó a su desarrollo. [9]
La memoria de semiconductores comenzó a utilizarse a principios de los años 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]
En 1957, Frosch y Derick lograron fabricar los primeros transistores de efecto de campo de dióxido de silicio en Bell Labs, los primeros transistores en los que el drenaje y la fuente estaban adyacentes en la superficie. [11] Posteriormente, un equipo demostró un MOSFET funcional en Bell Labs en 1960. [12] [13] La invención del MOSFET permitió el uso práctico de transistores de metal-óxido-semiconductor (MOS) como elementos de almacenamiento de celdas de memoria, una función que anteriormente cumplían los núcleos magnéticos . [14]
Las primeras celdas de memoria modernas se introdujeron en 1964, cuando John Schmidt diseñó la primera memoria de acceso aleatorio estática (SRAM) MOS ( PMOS ) de canal p de 64 bits . [15] [16]
La SRAM normalmente tiene celdas de seis transistores , mientras que la DRAM (memoria dinámica de acceso aleatorio) normalmente tiene celdas de un solo transistor. [17] [15] En 1965, la calculadora electrónica Toscal BC-1411 de Toshiba utilizó una forma de DRAM bipolar capacitiva, que almacenaba datos de 180 bits en celdas de memoria discretas, que consistían en transistores bipolares de germanio y condensadores. [18] [19] La tecnología MOS es la base de la DRAM moderna. En 1966, Robert H. Dennard en el Centro de Investigación Thomas J. Watson de IBM 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 podría representar el 1 y el 0 de un bit, mientras que el transistor MOS podría controlar la escritura de la carga en el condensador. Esto condujo a su desarrollo de una celda de memoria DRAM de un solo transistor. [20] En 1967, Dennard presentó una patente para una celda de memoria DRAM de un solo transistor, basada en tecnología MOS. [21]
La primera memoria SRAM bipolar de 64 bits comercial fue lanzada por Intel en 1969 con el 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 memoria de semiconductores . [22] Los chips DRAM durante 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. [17] [15]
La memoria CMOS fue comercializada por RCA , que lanzó un chip de memoria SRAM CMOS de 288 bits en 1968. [23] La memoria CMOS era inicialmente más lenta que la memoria NMOS , que era más ampliamente utilizada por las computadoras en la década de 1970. [24] En 1978, Hitachi introdujo el proceso CMOS de pozo doble, con su chip de memoria HM6147 (4 kb SRAM), fabricado con un proceso de 3 μm . El chip HM6147 pudo igualar el rendimiento del chip de memoria NMOS más rápido en ese momento, mientras que el HM6147 también consumía significativamente menos energía. Con un rendimiento comparable y un consumo de energía mucho menor, el proceso CMOS de pozo doble eventualmente superó al NMOS como el proceso de fabricación de semiconductores más común para la memoria de computadora en la década de 1980. [24]
Los dos tipos más comunes de celdas de memoria DRAM desde la década de 1980 han sido las celdas de condensador de trinchera y las celdas de condensador apilado. [25] Las celdas de condensador de trinchera son donde se hacen agujeros (trincheras) en un sustrato de silicio, cuyas paredes laterales se utilizan como celda de memoria, mientras que las celdas de condensador apilado son la forma más temprana de memoria tridimensional (memoria 3D), donde las celdas de memoria se apilan verticalmente en una estructura de celda tridimensional. [26] Ambas debutaron en 1984, cuando Hitachi introdujo la memoria de condensador de trinchera y Fujitsu introdujo la memoria de condensador apilado. [25]
El MOSFET de puerta flotante (FGMOS) fue inventado por Dawon Kahng y Simon Sze en Bell Labs en 1967. [27] Propusieron el concepto de celdas de memoria de puerta flotante, utilizando transistores FGMOS, que podrían usarse para producir ROM reprogramable (memoria de solo lectura). [28] Las celdas de memoria de puerta flotante luego se convirtieron en la base para las tecnologías de memoria no volátil (NVM), incluidas EPROM (ROM programable borrable), EEPROM (ROM programable borrable eléctricamente) y memoria flash . [29]
La memoria flash fue inventada por Fujio Masuoka en Toshiba en 1980. [30] [31] Masuoka y sus colegas presentaron la invención de la memoria flash NOR en 1984, [32] y luego la memoria flash NAND en 1987. [33] La memoria flash de celdas multinivel (MLC) fue introducida por NEC , que demostró celdas de cuatro niveles en un chip flash de 64 Mb que almacenaban 2 bits por celda en 1996. [25] La V-NAND 3D , donde las celdas de memoria flash se apilan verticalmente utilizando tecnología flash de trampa de carga 3D (CTP), fue anunciada por primera vez por Toshiba en 2007, [34] y fabricada comercialmente por primera vez por Samsung Electronics en 2013. [35] [36]
Los siguientes esquemas detallan las tres implementaciones más utilizadas para celdas de memoria:
El flip-flop tiene muchas implementaciones diferentes, su elemento de almacenamiento es generalmente un pestillo que consiste en un bucle de compuerta NAND o un bucle de compuerta NOR con compuertas adicionales utilizadas para implementar la temporización. Su valor siempre está disponible para leer como salida. El valor permanece almacenado hasta que se cambia a través del proceso de configuración o reinicio. Los flip-flops se implementan típicamente utilizando MOSFET .
Las celdas de memoria de compuerta flotante , basadas en MOSFET de compuerta flotante , se utilizan para la mayoría de las tecnologías de memoria no volátil (NVM), incluidas EPROM , EEPROM y memoria flash . [29] Según R. Bez y A. Pirovano:
Una celda de memoria de compuerta flotante es básicamente un transistor MOS con una compuerta completamente rodeada por dieléctricos (Fig. 1.2), la compuerta flotante (FG), y controlada eléctricamente por una compuerta de control acoplada capacitivamente (CG). Al estar aislada eléctricamente, la FG actúa como electrodo de almacenamiento para el dispositivo de la celda. La carga inyectada en la FG se mantiene allí, lo que permite la modulación del voltaje umbral "aparente" (es decir, VT visto desde el CG) del transistor de la celda. [29]
