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 solo mientras se aplica energía, o formas de memoria como la cinta magnética , a la que no se puede acceder aleatoriamente. pero que retiene datos indefinidamente sin energía eléctrica.
Los dispositivos de memoria de solo lectura se pueden utilizar para almacenar el firmware del sistema en sistemas integrados , como un 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 y escritura 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 no fuera 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 semiconductora no volátil tienen limitaciones en el tamaño de la memoria, el consumo de energía o la vida útil que los hacen poco prácticos para la memoria principal. Se está desarrollando el uso de chips de memoria no volátil como memoria principal de un sistema, como memoria persistente . Conocido como NVDIMM-P , cuyo estándar se publicó en 2021. [1] [2] [3]
NVRAM tempranas
Las primeras computadoras usaban sistemas de memoria de núcleo y batería que no eran volátiles como subproducto de su construcción. La forma más común de memoria durante la década de 1960 fue la memoria de núcleo magnético , que almacenaba datos en la polaridad de pequeños imanes. Dado que los imanes mantuvieron su estado incluso con la energía eliminada, la memoria central también era no volátil. Otros tipos de memoria requerían energía constante para retener datos, como el tubo de vacío o los flip-flops de estado sólido , los tubos Williams y la memoria semiconductora (RAM estática o dinámica).
Los avances en la fabricación de semiconductores en la década de 1970 llevaron 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 forma 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 el almacenamiento permanente de las instrucciones necesarias para cargar el sistema operativo. Los sistemas integrados, como una computadora de control de motor para un automóvil, deben conservar sus instrucciones cuando se corta la energía. Muchos sistemas usaban una combinación de RAM y alguna forma de ROM para estos roles.
Los circuitos integrados ROM personalizados eran una solución. El contenido de la memoria se almacenó como un patrón de la última máscara utilizada para fabricar el circuito integrado, por lo que 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 más alta de lo 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 de pequeños volúmenes. Muchos fabricantes de semiconductores proporcionaron una versión PROM de su parte ROM de máscara, de modo que el firmware de desarrollo pudiera probarse antes de pedir una ROM de máscara.
Actualmente, la forma más conocida de memoria NV-RAM y EEPROM es la memoria flash . Algunos inconvenientes 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 borrado de escritura (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 requerida ] . Otro inconveniente son las limitaciones de rendimiento que impiden que 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 ciertos roles, 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 real similar a la RAM y la no volatilidad generalmente han tenido que usar dispositivos RAM convencionales y una batería de respaldo. Por ejemplo, IBM PC y sus sucesores que comenzaron con IBM PC AT usaban memoria BIOS no volátil , a menudo llamada CMOS RAM o RAM de parámetros , y esta era una solución común en otros sistemas de microcomputadoras tempranas 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 arranque seleccionado. (El IBM PC y PC XT originales en cambio 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 las décadas de 1970 y 1980 para cantidades muy pequeñas de datos, por lo general no más de 8 bytes.) Antes de la estandarización de la industria en la arquitectura de IBM PC, algunos otros modelos de microcomputadoras usaban RAM respaldada por batería de manera más extensa: por ejemplo, en el TRS-80 Modelo 100 / Tandy 102, toda la memoria principal (8 KB mínimo, 32 KB máximo) es SRAM con respaldo de batería. Además, en la década de 1990, muchos cartuchos de software de videojuegos (por ejemplo, para consolas como Sega Genesis ) incluían RAM con respaldo de batería para retener juegos guardados, puntajes altos y datos similares. Además, algunos gabinetes de videojuegos de arcade contienen módulos de CPU que incluyen RAM respaldada por batería que contiene claves para el descifrado del software del juego sobre la marcha. Las memorias respaldadas por baterías mucho más grandes todavía se utilizan hoy en día 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.
MOSFET de puerta flotante
Un gran avance en la tecnología NVRAM fue la introducción del transistor MOSFET de puerta flotante , que llevó a la introducción de la memoria de sólo lectura programable y borrable , o EPROM . EPROM consta de una red 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 aislante, lo que enciende permanentemente el transistor ("1"). La EPROM se puede restablecer al "estado base" (todos los "1" o "0", según el diseño) aplicando luz ultravioleta (UV). Los fotones UV 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 volver a escribir desde cero.
Pronto siguió una mejora en EPROM, EEPROM . La "E" adicional significa eléctricamente , refiriéndose a la capacidad de restablecer 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, succiona los electrones a través del aislante, devolviéndolo al estado fundamental. Este procedimiento tiene el inconveniente de degradar mecánicamente el chip, sin embargo, por lo que los sistemas de memoria sobre la base de transistores de puerta flotante, en general, tienen cortos escribir-tiempos de vida, del orden de 10 5 escrituras a cualquier bit particular.
Un enfoque para superar la limitación del recuento de reescrituras 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 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 llamados NOVRAM s [4] por sus fabricantes.
La base de la memoria flash es idéntica a la EEPROM y difiere en gran medida en el diseño interno. Flash permite que su memoria se escriba solo en bloques, lo que simplifica enormemente el cableado interno y permite densidades más altas. La densidad de almacenamiento de memoria es el principal factor determinante del costo en la mayoría de los sistemas de memoria de computadora 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 de 2000, la demanda de cantidades cada vez mayores de flash ha llevado a los fabricantes a utilizar solo los últimos sistemas de fabricación para aumentar la densidad tanto como sea posible. Aunque los límites de fabricación están comenzando a entrar en juego, las nuevas técnicas de "múltiples bits" parecen ser capaces de duplicar o cuadriplicar la densidad incluso con anchos de línea existentes.
Enfoques más nuevos
Sin embargo, los ciclos de escritura limitados de Flash y EEPROM son un problema serio para cualquier función similar a la RAM. Además, la alta potencia necesaria para escribir las celdas es un problema en los roles de baja potencia, donde a menudo se usa NVRAM. La energía también necesita tiempo para "acumularse" en un dispositivo conocido como bomba de carga , que hace que la escritura sea mucho más lenta que la lectura, a menudo hasta 1000 veces. Se han propuesto varios dispositivos de memoria nuevos para abordar estas deficiencias.
RAM ferroeléctrica
Hasta la fecha, el único sistema de este tipo que ha entrado en una producción 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 DRAM) contiene una película ferroeléctrica delgada de titanato de circonato de plomo [ Pb (Zr, Ti) O
3], comúnmente conocido como PZT. Los átomos de Zr / Ti en el PZT cambian la 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 apaga o se interrumpe la energía, debido a que el cristal PZT mantiene la polaridad. Debido a esta estructura cristalina y cómo se ve influenciada, F-RAM ofrece propiedades distintas de otras opciones de memoria no volátil, que incluyen una resistencia extremadamente alta (que excede los 10 16 ciclos de acceso para dispositivos de 3.3 V), consumo de energía ultra bajo (ya que F-RAM no lo hace) requieren una bomba de carga como otras memorias no volátiles), velocidades de escritura de ciclo único y tolerancia a la radiación gamma. [5] Ramtron International ha desarrollado, producido y licenciado RAM ferroeléctrica (F-RAM), y otras compañías que han licenciado y producido tecnología F-RAM incluyen Texas Instruments , Rohm y Fujitsu .
RAM magnetorresistiva
Otro enfoque para ver 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. Solo un chip MRAM ha entrado en producción hasta la fecha: la pieza de 4 Mbit de Everspin Technologies , que es una MRAM de primera generación que utiliza escritura inducida por campo de puntos cruzados. [6] Actualmente se están desarrollando dos técnicas de segunda generación: Conmutación asistida térmica (TAS), [7] que está siendo desarrollada por Crocus Technology , y Torque de transferencia de giro (STT) en el que Crocus, Hynix , IBM y varios otros las empresas están funcionando. [8] STT-MRAM parece permitir densidades mucho más altas que las de la primera generación, pero se está quedando atrás del flash por las mismas razones que FeRAM: enormes presiones competitivas en el mercado flash.
RAM de cambio de fase
Otra tecnología de estado sólido para ver más que un 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 los 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 MRAM o FeRAM. La densidad de área de estas partes parece ser incluso mayor que la de los dispositivos flash modernos, ya que el almacenamiento general más bajo se debe a la falta de codificación de múltiples bits. Este anuncio fue seguido por uno de Intel y STMicroelectronics , quienes demostraron sus propios dispositivos PRAM en el Intel Developer Forum 2006 en octubre.
Intel y STMicroelectronics ahora venden dispositivos basados en PRAM a los consumidores, bajo los nombres 3D XPoint Optane y QuantX. [9]
Memoria de milpiés
Quizás una de las soluciones más innovadoras es la memoria milpiés , desarrollada por IBM . Milpiés es, en esencia, una tarjeta perforada elaborada con 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 / in² (≈394 Gbit / cm 2 ), incluso mayores que las mejores tecnologías de disco duro actualmente en uso (la grabación perpendicular ofrece 636 Gbit / in² (≈250,4 Gbit / cm 2 ) a diciembre de 2011 [10] ), pero la grabación magnética asistida por calor y los medios con patrones en el futuro juntos podrían soportar densidades de 10 Tbit / in² [11] (≈3,95 Tbit / cm 2 ). Sin embargo, los tiempos de lectura y escritura lentos para memorias de este tamaño parecen limitar esta tecnología a reemplazos de discos duros en contraposición a usos similares a RAM de alta velocidad, aunque en gran medida lo mismo ocurre con la memoria flash.
Memoria FeFET
Una aplicación alternativa de los ferroeléctricos (basados en 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 tales dispositivos tienen la ventaja de que utilizan la misma tecnología que la litografía basada en HKMG (puerta de metal de alta L) y escalan al mismo tamaño que un FET convencional en un nodo de proceso dado . A partir de 2017, se han demostrado dispositivos de 32 Mbit a 22 nm .
Ver también
- NOVA (sistema de archivos)
- Torque de transferencia de giro
- Espintrónica
- UEFI
Referencias
- ^ "Estándares JEDEC DDR5 y NVDIMM-P en desarrollo" (Comunicado de prensa). JEDEC . 2017-03-30.
- ^ "JEDEC realizará talleres para estándares DDR5, LPDDR5 y NVDIMM-P" (Comunicado de prensa). JEDEC. 2019-09-05.
- ^ "JEDEC publica el estándar de protocolo de bus DDR4 NVDIMM-P" (Comunicado de prensa). JEDEC. 2021-02-17.
- ^ Chan, Peter (21 de abril de 2005). "Características y aplicaciones de X4C105 NOVRAM" (PDF) . Intersil . Archivado desde el original (PDF) el 14 de junio de 2007.
- ^ "Tecnología de memoria F-RAM" . Ramtron . Archivado desde el original el 18 de abril de 2012 . Consultado el 8 de junio de 2012 .
- ^ "Tecnología" . Everspin . Archivado desde el original el 10 de junio de 2009.
- ^ Hoberman, Barry. "La aparición de MRAM práctico" (PDF) . Tecnología Crocus . Archivado desde el original (PDF) el 27 de abril de 2011 . Consultado el 20 de julio de 2009 .
- ^ LaPedus, Mark (18 de junio de 2009). "Tower invierte en Crocus, consejos de MRAM reparto de fundición" . EE Times . Consultado el 9 de enero de 2020 .
- ^ Allyn Malventano (2 de junio de 2017). "CÓMO FUNCIONA LA MEMORIA DE CAMBIO DE FASE 3D XPOINT" . Perspectiva de PC .
- ^ "Hitachi GST envía discos duros de un terabyte por plato" (Comunicado de prensa). Tecnologías de almacenamiento global de Hitachi . 2011-08-03. Archivado desde el original el 26 de octubre de 2011 . Consultado el 17 de diciembre de 2011 .
- ^ Johnston, Casey (7 de mayo de 2011). "Nuevos paquetes de métodos de escritura de disco duro en un terabit por pulgada" . Ars Technica . Consultado el 17 de diciembre de 2011 .
enlaces externos
- Supporting filesystems in persistent memory , LWN.net , 2 de septiembre de 2014, por Jonathan Corbet