La memoria de acceso aleatorio no volátil ( NVRAM ) es una memoria de acceso aleatorio que retiene datos sin energía aplicada. Esto contrasta con la memoria dinámica de acceso aleatorio (DRAM) y la memoria estática de acceso aleatorio (SRAM), que mantienen los datos sólo mientras se aplica energía, o formas de memoria de acceso secuencial como la cinta magnética , que no pueden ser accedido aleatoriamente pero que retiene los datos indefinidamente sin energía eléctrica.
Los dispositivos de memoria de sólo lectura se pueden utilizar para almacenar firmware del sistema en sistemas integrados, como el control del sistema de encendido de un automóvil o un electrodoméstico. También se utilizan para contener las instrucciones iniciales del procesador necesarias para iniciar un sistema informático. La memoria de lectura-escritura, como NVRAM, se puede utilizar para almacenar constantes de calibración, contraseñas o información de configuración, y se puede integrar en un microcontrolador .
Si la memoria principal de un sistema informático fuera no volátil, se reduciría en gran medida el tiempo necesario para iniciar un sistema después de una interrupción del suministro eléctrico. Los tipos actuales de memoria no volátil de semiconductores tienen limitaciones en el tamaño de la memoria, el consumo de energía o la vida operativa que los hacen poco prácticos para la memoria principal. Se está desarrollando el uso de chips de memoria no volátil como memoria principal del sistema, como memoria persistente . En 2021 se publicó un estándar para memoria persistente conocido como NVDIMM-P. [1] [2] [3]
Algunas de las primeras computadoras usaban un tambor magnético que no era volátil como subproducto de su construcción. La industria pasó a la memoria de núcleo magnético a finales de la década de 1950, que almacenaba datos en la polaridad de pequeños imanes. Dado que los imanes mantuvieron su estado incluso sin energía, la memoria central tampoco era volátil. Otros tipos de memoria requerían energía constante para retener datos, como los flip-flops de tubo de vacío o de estado sólido , el tubo Williams y la memoria semiconductora (RAM estática o dinámica).
Los avances en la fabricación de semiconductores en la década de 1970 condujeron a una nueva generación de memorias de estado sólido que la memoria de núcleo magnético no podía igualar en costo o densidad. Hoy en día, la RAM dinámica constituye la gran mayoría de la memoria principal de una computadora típica . Muchos sistemas requieren al menos algo de memoria no volátil. Las computadoras de escritorio requieren un almacenamiento permanente de las instrucciones necesarias para cargar el sistema operativo. Los sistemas integrados, como la computadora de control del motor de un automóvil, deben conservar sus instrucciones cuando se corta la energía. Muchos sistemas utilizaban una combinación de RAM y algún tipo de ROM para estas funciones.
Los circuitos integrados ROM personalizados fueron una solución. El contenido de la memoria se almacenó como un patrón de la última máscara utilizada para fabricar el circuito integrado y, por lo tanto, no se pudo modificar una vez completado.
PROM mejoró este diseño, permitiendo que el usuario final escriba eléctricamente el chip. PROM consta de una serie de diodos que inicialmente están todos configurados en un solo valor, 1 por ejemplo. Al aplicar una potencia superior a la normal, un diodo seleccionado puede quemarse (como un fusible ), estableciendo así permanentemente ese bit en 0. PROM facilitó la creación de prototipos y la fabricación en pequeño volumen. Muchos fabricantes de semiconductores proporcionaron una versión PROM de su pieza ROM de máscara para que se pudiera probar el firmware de desarrollo antes de solicitar una ROM de máscara.
Actualmente, la forma más conocida de memoria tanto NV-RAM como EEPROM es la memoria flash . Algunas desventajas de la memoria flash incluyen el requisito de escribirla en bloques más grandes de los que muchas computadoras pueden abordar automáticamente, y la longevidad relativamente limitada de la memoria flash debido a su número finito de ciclos de escritura y borrado (a partir de enero de 2010, la mayoría de los productos flash de consumo pueden soportar sólo alrededor de 100.000 reescrituras antes de que la memoria comience a deteriorarse) [ cita necesaria ] . Otro inconveniente son las limitaciones de rendimiento que impiden que la memoria flash coincida con los tiempos de respuesta y, en algunos casos, la direccionabilidad aleatoria que ofrecen las formas tradicionales de RAM. Varias tecnologías más nuevas están intentando reemplazar la memoria flash en ciertas funciones, y algunas incluso afirman ser una memoria verdaderamente universal , que ofrece el rendimiento de los mejores dispositivos SRAM con la no volatilidad de la memoria flash. En junio de 2018, estas alternativas aún no se han generalizado.
Aquellos que requerían un rendimiento y no volatilidad reales similares a los de la RAM, normalmente han tenido que utilizar dispositivos RAM convencionales y una batería de respaldo. Por ejemplo, las PC de IBM y sus sucesoras que comenzaron con la PC AT de IBM usaban memoria BIOS no volátil , a menudo llamada RAM CMOS o RAM de parámetros , y esta era una solución común en otros de los primeros sistemas de microcomputadoras como el Apple Macintosh original , que usaba una pequeña cantidad de memoria. alimentado por una batería para almacenar información de configuración básica, como el volumen de inicio seleccionado. (La PC IBM y la PC XT originales usaban interruptores DIP para representar hasta 24 bits de datos de configuración del sistema; los interruptores DIP o similares son otro tipo primitivo de dispositivo ROM programable que se usó ampliamente en los años 1970 y 1980 para cantidades muy pequeñas de (generalmente no más de 8 bytes). Antes de la estandarización industrial de la arquitectura de PC IBM, algunos otros modelos de microcomputadoras usaban RAM respaldada por batería de manera más extensiva: por ejemplo, en el TRS-80 Modelo 100 /Tandy 102, toda la memoria principal (8 KB mínimo, 32 KB máximo) es SRAM respaldada por batería. Además, en la década de 1990, muchos cartuchos de software de videojuegos (por ejemplo, para consolas como Sega Genesis ) incluían RAM respaldada por batería para conservar las partidas guardadas, las puntuaciones altas y datos similares. Además, algunos gabinetes de videojuegos arcade contienen módulos de CPU que incluyen RAM respaldada por batería que contiene claves para descifrar el software de juegos sobre la marcha. Hoy en día todavía se utilizan memorias mucho más grandes respaldadas por baterías como cachés para bases de datos de alta velocidad que requieren un nivel de rendimiento que los dispositivos NVRAM más nuevos aún no han logrado alcanzar.
Un gran avance en la tecnología NVRAM fue la introducción del transistor MOSFET de puerta flotante , que condujo a la introducción de la memoria de sólo lectura programable y borrable , o EPROM . EPROM consta de una rejilla de transistores cuyo terminal de puerta (el interruptor) está protegido por un aislante de alta calidad. Al empujar los electrones hacia la base con la aplicación de un voltaje más alto de lo normal, los electrones quedan atrapados en el lado más alejado del aislador, encendiendo así permanentemente el transistor (1). La EPROM se puede restablecer al estado base (todos 1 o 0, según el diseño) aplicando luz ultravioleta (UV). Los fotones ultravioleta tienen suficiente energía para empujar los electrones a través del aislante y devolver la base a su estado fundamental. En ese momento, la EPROM se puede reescribir desde cero.
Pronto siguió una mejora en la EPROM, EEPROM . La E adicional significa eléctricamente , en referencia a la capacidad de restablecer la EEPROM usando electricidad en lugar de UV, lo que hace que los dispositivos sean mucho más fáciles de usar en la práctica. Los bits se restablecen con la aplicación de una potencia aún mayor a través de los otros terminales del transistor ( fuente y drenaje ). Este pulso de alta potencia, en efecto, aspira los electrones a través del aislante, devolviéndolo al estado fundamental. Sin embargo, este proceso tiene la desventaja de degradar mecánicamente el chip, por lo que los sistemas de memoria basados en transistores de puerta flotante en general tienen vidas de escritura cortas, del orden de 10 5 escrituras en cualquier bit en particular.
Una forma de superar la limitación del recuento de reescritura es tener una SRAM estándar en la que cada bit esté respaldado por un bit EEPROM. En funcionamiento normal, el chip funciona como una SRAM rápida y, en caso de un corte de energía, el contenido se transfiere rápidamente a la parte EEPROM, desde donde se vuelve a cargar en el siguiente encendido. Estos chips fueron denominados NOVRAM s [4] por sus fabricantes.
La base de la memoria flash es idéntica a la EEPROM y se diferencia en gran medida en el diseño interno. Flash permite escribir su memoria sólo en bloques, lo que simplifica enormemente el cableado interno y permite densidades más altas. La densidad de almacenamiento de la memoria es el principal determinante del costo en la mayoría de los sistemas de memoria de las computadoras y, debido a esto, la memoria flash se ha convertido en uno de los dispositivos de memoria de estado sólido de menor costo disponibles. A partir del año 2000, la demanda de cantidades cada vez mayores de flash ha llevado a los fabricantes a utilizar sólo los últimos sistemas de fabricación para aumentar la densidad tanto como sea posible. Aunque los límites de fabricación están empezando a entrar en juego, las nuevas técnicas "multi-bit" parecen ser capaces de duplicar o cuadriplicar la densidad incluso con anchos de línea existentes.
Los ciclos de escritura limitados de Flash y EEPROM son un problema grave para cualquier función similar a la RAM. Además, la alta potencia necesaria para escribir las celdas es un problema en funciones de bajo consumo, donde se utiliza a menudo NVRAM. La energía también necesita tiempo para acumularse en un dispositivo conocido como bomba de carga , lo que hace que escribir sea dramáticamente más lento que leer, a menudo hasta 1.000 veces. Se han propuesto varios dispositivos de memoria nuevos para abordar estas deficiencias.
Hasta la fecha, el único sistema de este tipo que ha entrado en producción de forma generalizada es la RAM ferroeléctrica o F-RAM (a veces denominada FeRAM). F-RAM es una memoria de acceso aleatorio similar en construcción a la DRAM pero (en lugar de una capa dieléctrica como en la DRAM) contiene una delgada película ferroeléctrica de titanato de circonato de plomo [ Pb(Zr,Ti)O 3 ], comúnmente conocida como PZT. . Los átomos de Zr/Ti en el PZT cambian de polaridad en un campo eléctrico, produciendo así un interruptor binario. A diferencia de los dispositivos RAM, F-RAM retiene su memoria de datos cuando se corta o se interrumpe la energía, debido a que el cristal PZT mantiene la polaridad. Debido a esta estructura cristalina y a cómo se ve influenciada, la F-RAM ofrece propiedades distintas de otras opciones de memoria no volátil, incluida una resistencia extremadamente alta (que supera los 10 16 ciclos de acceso para dispositivos de 3,3 V), un consumo de energía ultrabajo (ya que la F-RAM no requieren una bomba de carga como otras memorias no volátiles), velocidades de escritura de un solo ciclo y tolerancia a la radiación gamma. [5] Ramtron International ha desarrollado, producido y autorizado RAM ferroeléctrica (F-RAM), y otras empresas que han autorizado y producido tecnología F-RAM incluyen Texas Instruments , Rohm y Fujitsu .
Otro enfoque que verá un gran esfuerzo de desarrollo es la memoria magnetorresistiva de acceso aleatorio , o MRAM, que utiliza elementos magnéticos y en general funciona de manera similar al núcleo, al menos para la tecnología de primera generación. Hasta la fecha, solo un chip MRAM ha entrado en producción: la pieza de 4 Mbit de Everspin Technologies , que es una MRAM de primera generación que utiliza escritura inducida por campos de puntos cruzados. [6] Actualmente se están desarrollando dos técnicas de segunda generación: la conmutación asistida térmica (TAS), [7] que está siendo desarrollada por Crocus Technology , y el par de transferencia de espín (STT), en el que Crocus, Hynix , IBM y varios otros las empresas están trabajando. [8] STT-MRAM parece permitir densidades mucho más altas que las de la primera generación, pero está por detrás del flash por las mismas razones que FeRAM: enormes presiones competitivas en el mercado flash.
Otra tecnología de estado sólido que va más allá del desarrollo puramente experimental es la RAM de cambio de fase o PRAM. PRAM se basa en el mismo mecanismo de almacenamiento que los CD y DVD grabables , pero los lee en función de sus cambios en la resistencia eléctrica en lugar de cambios en sus propiedades ópticas. Considerado un caballo oscuro durante algún tiempo, en 2006 Samsung anunció la disponibilidad de una pieza de 512 Mbit, una capacidad considerablemente mayor que la MRAM o la FeRAM. La densidad de área de estas piezas parece ser incluso mayor que la de los dispositivos flash modernos, y el menor almacenamiento general se debe a la falta de codificación multibit. A este anuncio le siguió uno de Intel y STMicroelectronics , que demostraron sus propios dispositivos PRAM en el Intel Developer Forum 2006 en octubre.
Intel y Micron Technology tenían una empresa conjunta para vender dispositivos PRAM con los nombres 3D XPoint , Optane y QuantX, que se suspendió en julio de 2022. [9] [10]
STMicroelectronics fabrica dispositivos de memoria de cambio de fase para aplicaciones automotrices.
Quizás una de las soluciones más innovadoras sea la memoria milpiés , desarrollada por IBM . Millipede es, en esencia, una tarjeta perforada creada mediante nanotecnología para aumentar drásticamente la densidad del área. Aunque se planeó introducir Millipede ya en 2003, problemas inesperados en el desarrollo lo retrasaron hasta 2005, momento en el que ya no era competitivo con flash. En teoría, la tecnología ofrece densidades de almacenamiento del orden de 1 Tbit/in 2 (≈155 Gbit/cm 2 ), mayor incluso que las mejores tecnologías de disco duro actualmente en uso ( la grabación perpendicular ofrece 636 Gbit/in 2 (≈98,6 Gbit/cm 2 ). cm 2 ) a partir de diciembre de 2011 [11] ), pero la futura grabación magnética asistida por calor y los medios estampados juntos podrían soportar densidades de 10 Tbit/in 2 [12] (≈1,55 Tbit/cm 2 ). Sin embargo, los tiempos lentos de lectura y escritura para memorias de este tamaño parecen limitar esta tecnología a reemplazos de discos duros en lugar de usos similares a los de RAM de alta velocidad, aunque en gran medida lo mismo ocurre con el flash.
Una aplicación alternativa de los ferroeléctricos (a base de óxido de hafnio) es la memoria basada en Fe FET , que utiliza un ferroeléctrico entre la puerta y el dispositivo de un transistor de efecto de campo . Se afirma que dichos dispositivos tienen la ventaja de que utilizan la misma tecnología que la litografía basada en HKMG (puerta metálica de alta L) y escalan al mismo tamaño que un FET convencional en un nodo de proceso determinado . A partir de 2017, se han demostrado dispositivos de 32 Mbit a 22 nm .