Memorias no volátiles

Transcripción

1 Memorias no volátiles Todo circuito secuencial dispone de una memoria de algún tipo, ya que cada biestable, registro o contador, permite almacenar un determinado número de bits de información. Sin embargo, normalmente la palabra memoria se reserva para referirse a aquellos bits almacenados de forma estructurada, normalmente en un array de dos dimensiones en el que se puede acceder a cada fila de bits de manera independiente. Las aplicaciones de las memorias son muchas y variadas. Por ejemplo, en la unidad central de proceso (CPU) de un procesador, una memoria no volátil puede utilizarse para definir las diferentes etapas que deben realizarse para ejecutar una instrucción compleja, o para proporcionar diversas constantes utilizadas en un algoritmo de división. Junto a la CPU, una memoria estática rápida puede usarse como caché para almacenar las instrucciones y datos utilizados más recientemente. Finalmente, el subsistema de memoria principal del computador puede contener miles millones de bits de memoria dinámica que almacenan datos, programas y sistemas operativos completos. La mayor parte de las memorias no volátiles no son realmente memorias en el sentido estricto de la palabra, ya que son circuitos combinacionales, no secuenciales. Se denominan memorias por el paradigma organizativo que describe su función, ya que podemos pensar que la información se almacenó en la memoria no volátil cuando se fabricó o programó. Una memoria no volátil es un circuito combinacional con n entradas y k salidas. Las entradas se denominan entradas de dirección y tradicionalmente se numeran A0, A1,, An-1 (Address). Las salidas se denominan salidas de datos y se numeran típicamente D0, D1,, Dk-1 (Data). La capacidad (C) de una memoria viene determinada por el número total de bits que es capaz de almacenar, que depende del número de palabras que contiene y de la longitud de cada palabra (C = 2 n k bits) Una memoria no volátil almacena la tabla de verdad de una función lógica combinacional de n entradas y k salidas. Ignorando los retardos de propagación, las salidas de datos de una memoria no volátil coinciden en todo momento con los bits de salida de la fila, de la tabla de verdad, seleccionada por las entradas de dirección. Por ejemplo, la siguiente tabla corresponde a la tabla de verdad de un sumador de 1 bit que proporciona como salida el resultado de la suma y el acarreo. Esta función podría implementarse utilizando puertas lógicas, como muestra la siguiente figura. Cin A B Cout S

2 Sin embargo, también podría implementarse utilizando una memoria ROM y programando adecuadamente el contenido que debe almacenar, como muestran la siguiente figura y tabla. A2 A1 A0 D1 D ROM (Read Only Memory) Aunque el mecanismo de almacenamiento de la información varía para las diferentes tecnologías de memorias no volátiles, en la mayor parte de los casos, la presencia o ausencia de un diodo o transistor permite distinguir entre un 1 y un 0. La estructura interna del sumador implementado mediante una memoria ROM en el ejemplo anterior puede verse en la siguiente figura. Toda memoria no volátil es un circuito combinacional que consta de una matriz AND fija, que permite seleccionar la palabra que se desea leer, y de una matriz OR programable, que contiene los datos almacenados en cada una de las posiciones de memoria. La matriz fija AND actúa como un decodificador de direcciones, con lo que únicamente estará activa la línea de palabra correspondiente a la dirección de entrada establecida. Cada una de las líneas de bit se corresponde con un bit de salida de la memoria no volátil. Cada intersección entre una línea de palabra y una línea de bit, corresponde con un bit de la memoria no volátil. Si hay un diodo presente en la intersección, hay un 1 almacenado y, en caso contrario, hay almacenado un 0. La utilización de transistores MOS en lugar de diodos (ver figura siguiente), permite una mayor escala de integración y, por tanto, una mayor capacidad de las memorias no volátiles. Nótese que ahora es necesario invertir la salida para obtener el nivel lógico deseado ( 1 si hay un transistor en la intersección, 0 en caso contrario). Adicionalmente, se han incluido entradas de Chip Enable (CE) y Output Enable (OE) para habilitar la salida de la ROM.

3 La mayor parte de los primeros circuitos integrados ROM eran programables por máscara (mask-programmable ROMs). Esto indica que la ROM se programa mediante el patrón de conexiones y no-conexiones en la máscara que se utilizaba en el proceso de fabricación de circuitos integrados. Para programar o escribir la información en la ROM, el cliente debía suministrar al fabricante la lista de contenido deseado para cada una de las posiciones de la memoria ROM. El fabricante utilizaba esta información para crear las diversas máscaras necesarias para fabricar las memorias ROM con el patrón requerido. Esto redunda en un elevado coste, del orden de varios miles de dólares por la personalización de las máscaras para ROM con contenido diferente que se desee fabricar. Debido a los costes asociados, y al retardo requerido para su fabricación (del orden de 4 semanas), únicamente se utilizan en aplicaciones con un elevado volumen de venta. Para bajos volúmenes, existen alternativas más rentables. PROM (Programmable ROM) Las memorias PROM son similares a las ROM programables por máscara, pero ahora el usuario es capaz de almacenar los datos que desee (programar la PROM) en unos minutos utilizando un programador. Las memorias PROM se fabrican con transistores conectados en todas las intersecciones (todos los bits programados a 1 ). En el caso de utilizar transistores, se incluye un pequeño fusible para cada uno de los bits programables (ver figura adjunta). Los programadores PROM pueden utilizarse para programar, de manera permanente, los bits deseados con un valor lógico 0. Esto se consigue seleccionando el bit concreto a través de las líneas de palabra y dato de la memoria PROM y aplicando un pulso de alto voltaje (10V 30V) al dispositivo as través de un pin de entrada especial, con lo que se funde el fusible correspondiente. Así, aunque el usuario es capaz de programar las memorias PROM con los datos deseados, cada memoria PROM puede programarse una única vez (OTP One Time Programmable).

4

5 EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory) Las memorias EPROM son memorias volátiles reprogramables, ya que los datos almacenados internamente pueden borrarse para ser escritos nuevamente (reprogramados). Para ello, el transistor MOS que se utiliza para cada uno de los bits de la memoria no volátil, se sustituye por un transistor de una tecnología diferente, denominado FAMOS (Floating-Gate MOS). Los transistores FAMOS se caracterizan por disponer de dos puertas diferentes, una fija (equivalente a la de los transistores MOS), y una flotante (ver figura siguiente). Esta puerta flotante no está conectada, sino que se encuentra rodeada de un material aislante (óxido) de muy alta impedancia. Además, para permitir la programación del transistor, la puerta flotante se sitúa a muy poca distancia del substrato del transistor. Para programar la memoria EPROM, el programador aplica una tensión elevada a la puerta fija de todas aquellas celdas que deban almacenar un 0. Esta tensión permite a los electrones que se encuentran en el sustrato del transistor, atravesar el aislante a través de un túnel y llegar hasta la puerta flotante. Este efecto es conocido como Fowler-Nordheim Tunneling. Debido a la mayor distancia existente entre la puerta fija y la flotante, los electrones no son capaces de alcanzar la puerta fija. Una vez se elimina la tensión aplicada a la puerta fija, los electrones se quedan atrapados en la puerta flotante y no son capaces de atravesar nuevamente el aislante para retornar al sustrato. Debido a la carga negativa acumulada en la puerta flotante, se incrementa la tensión umbral del transistor, lo que provoca que quede polarizado en inversa (corte). Así pues, el transistor ya no conduce y el bit de memoria queda programado con un 0. Sin embargo, cuando el transistor no está programado (no hay carga en la puerta flotante), el transistor conduce normalmente al aplicar tensión en la puerta fija (línea de palabra), por lo que se obtendrá en la salida (línea de bit) un 1. Los fabricantes de memorias EPROM garantizan que los bits convenientemente programados mantendrán el 70% de su energía al menos 10 años, por lo que pueden considerarse como memorias no volátiles. Adicionalmente, es posible borrar el contenido de las memorias EPROM. Si se irradia a los electrones almacenados en la puerta flotante con luz ultravioleta (UV) de una longitud de onda determinada, pueden adquirir la energía necesaria para superar la barrera de potencial impuesta por el aislante y retornar al sustrato del transistor. Esto reduce la carga negativa almacenada en la puerta flotante, con lo que la tensión umbral del transistor se normaliza y funciona de modo normal una vez más. Así, los chips de memoria EPROM se comercializan con una ventana de cuarzo transparente que permite exponer el circuito a luz ultravioleta

6 (entre 5 20 minutos) para provocar su borrado. Hay que destacar que esta exposición provoca el borrado de todos los bits almacenados en la memoria, por lo que posteriormente es necesario volver a reprogramar los datos deseados para volverla a utilizar. EEPROM (Electrically PROM) A pesar de que las memorias EPROM pueden ser reprogramadas, el tener que exponer estas memorias a luz ultravioleta para conseguir su borrado, hace que este proceso sea poco operativo, ya que es necesario extraer las memorias de la placa en la que están integradas y, posteriormente volverlas a insertar. Así pues, las memorias EEPROM (pronúnciese E-dos-PROM) aparecen como un sustituto natural de las memorias EPROM, ya que proporcionan la posibilidad de borrar el contenido de la memoria eléctricamente, sin necesidad de ser extraídas de la placa en la que estén integradas. Esto se consigue gracias a que el aislante que existe entre la puerta flotante y el sustrato del transistor es mucho más fino y se puede aplicar el Fowler-Norheim Tunneling. De este modo, al aplicar una elevada tensión negativa en la puerta fija del transistor, se consigue crear una barrear de potencial que permite a los electrones almacenados en la puerta flotante atravesar la capa de óxido (a través de un túnel ) y regresar al sustrato del transistor. Adicionalmente, para no tener que borrar el contenido de toda la memoria como en el caso de las memorias EPROM, las memorias EEPROM incorporaron la novedad de poder realizar un borrado selectivo de los bits almacenados (normalmente byte a byte). Para ello, se modificó la estructura de la celda de memoria (ver figura adjunta), de manera que ahora consta de dos transistores: un transistor FAMOS, que almacena la información, y un transistor MOS, que permite la selección de la celda para lectura, borrado y escritura. Sin embargo, esta nueva estructura, que incrementa la funcionalidad de las memorias EEPROM, también provoca que el tamaño de la celda de memoria sea entre 2 y 3 veces más grande que en el caso de las memorias EPROM, con lo que la densidad de integración de las memorias EEPROM es mucho menor (en la misma área de silicio puede almacenarse mucha menos información). Finalmente, esto redunda en un mayor coste de las memorias EEPROM para almacenar la misma cantidad de información. Adicionalmente, como la capa de aislante es tan fina, puede desgastarse al realizar repetidas reprogramaciones de los datos almacenados. Como resultado, las memorias EEPROM solo pueden ser reprogramadas un número limitado de veces, unas veces por cada posición de memoria.

7 FLASH A lo largo de los años, las memorias no volátiles han evolucionado para proporcionar una mayor funcionalidad y flexibilidad al usuario, desde las memorias ROM, programables únicamente durante su fabricación, hasta las memorias EEPROM, reprogramables eléctricamente por el usuario. Sin embargo, esta mayor funcionalidad de las memorias EEPROM se ofrece con un elevado coste y una menor densidad de integración (menor capacidad). Con el fin de aprovechar las capacidades de borrado y programación eléctrica de las memorias EEPROM, y de reducir su coste y aumentar su densidad de integración, se optó por eliminar la posibilidad de borrar selectivamente los bits de la memoria EEPROM. En su lugar, únicamente se permite realizar el borrado completo de bloques de tamaño fijo (normalmente entre KB). Estas memorias se llamaron flash EEPROM (o simplemente flash), ya que el borrado de un bloque se hace in a flash. Su funcionamiento es similar al de las memorias EEPROM, por lo que es necesario borrar los datos de memoria (el bloque completo) antes de poder volverlos a programar. Al eliminar el borrado selectivo, las celdas de memoria ya no disponen de 2 transistores, sino que únicamente se utiliza un transistor FAMOS cuya puerta flotante está rodeada de una capa de aislante muy fina (< 12 nm). Esto permite reducir el tamaño de la celda de memoria hasta 2 ó 3 veces el tamaño de la celda original EEPROM, incrementando la escala de integración (mayor capacidad) y reduciendo los costes de fabricación. Existen dos tecnologías principales de memorias flash: NOR y NAND flash. Su nombre proviene de la estructura de interconexión interna de sus celdas de memoria. En las memorias NOR flash, las celdas están conectadas en paralelo a las líneas de bit, lo que se asemeja a la conexión de los transistores en una puerta NOR implementada en tecnología CMOS. En las memorias NAND flash, las celdas se conectan en serie, lo que recuerda a la conexión de los transistores en una puerta NAND implementada en tecnología CMOS. Las memorias NOR flash se concibieron como una manera más económica y conveniente de disponer de memorias no volátiles reprogramables que las disponibles hasta entonces. El acceso en lectura y programación se realiza de manera aleatoria (es posible acceder a una dirección concreta), tal y como ocurre con las memorias RAM. Por ello, la mayor parte de los procesadores pueden ejecutar directamente el código de programa almacenado en la memoria NOR flash sin necesidad de almacenarlo primero en una memoria RAM. Sin embargo, el borrado debe efectuarse por bloques (posiciones consecutivas de memoria) y provoca que todas las celdas de memoria de ese bloque almacenen un 1. Así, el acceso a los datos en lectura es muy rápido, pero la escritura es bastante más lenta. Aplicaciones típicas de estas memorias suelen consistir en almacenar el código de inicialización y BIOS de computadores, PDAs y teléfonos móviles. Debido a su conexión en serie y a que se eliminan los contactos de las líneas de palabra, las memorias NAND flash ocupan alrededor del 60% del área de silicio necesaria para implementar una memoria de la misma capacidad utilizando NOR flash. Para reducir más aún este área, se optó por eliminar el circuito del bus de datos y de dirección externos. En su lugar, los dispositivos externos deben comunicarse con la memoria

8 NAND flash a través de órdenes serie y registros de datos que, internamente, obtendrán el dato requerido. Esta opción de diseño imposibilita el acceso aleatorio a la información, por lo que la lectura y programación se realiza por páginas (partes de un bloque) y el borrado se realiza por bloques. Con esto se consigue incrementar la capacidad y, por tanto, reducir el coste de este tipo de memorias. Las memorias NAND flash típicamente se utilizan como dispositivos de almacenamiento para computadores, PDAs, teléfonos móviles, cámaras fotográficas, etc. Para tratar de incrementar todavía más la capacidad de almacenamiento de las memorias flash, están desarrollándose nuevas tecnologías con el objetivo de tratar de almacenar más de 1 bit en cada celda de memoria (MLC Multiple-Level Cell). Entre ellas cabe destacar la tecnología MirrorBit, de AMD, y la StrataFlash, de Intel. MirrorBit se basa en la simetría de los transistores MOSFET. Como se puede observar en la figura adjunta, la fuente y el drenador de los transistores son perfectamente intercambiables, y únicamente depende de cómo han sido conectados en el circuito. Por lo tanto, la idea consiste en poder seleccionar, de manera dinámica, el papel que desempeña cada una de estas partes para permitir almacenar la información perteneciente a 2 bits en un único transistor. StrataFlash se basa en poder distinguir diferentes niveles de corriente, ya que la corriente en la fuente del transistor depende de la cantidad de electrones almacenados en su puerta flotante. Así, si podemos distinguir 2 niveles de corriente, podremos almacenar 1 bit ( 0, 1 ), pero distinguiendo 4 niveles de corriente, podremos almacenar 2 bits ( 00, 01, 10, 11 ), etc. El principal inconveniente es que es necesario incluir en esta memoria flash un circuito de conversión analógica-digital (lectura) y digital-analógico (escritura) para poder interpretar correctamente los niveles de corriente almacenados (ver figura siguiente). La combinación de ambas tecnologías (MirrorBit + StrataFlash) se denomina MirrorBit Quad, y permite incrementar mucho más la capacidad de almacenamiento de las memorias flash, ya que distinguiendo 4 niveles de corriente distintos, y almacenando dos datos en cada celda de memoria, se llega a almacenar hasta 4 bits en cada una de ellas.

9 NVRAM (Non-Volatil Random Access Memory) Finalmente, una variedad de memorias no volátiles consiste en tratar de conseguir que las memorias RAM (volátiles) puedan mantener los datos almacenados cuando dejan de estar alimentadas. Una posible opción consiste en utilizar una memoria SRAM (Static RAM) para el almacenamiento y lectura de la información. En el momento en el que se detecte una caída en la tensión de alimentación de la memoria, se procede a volcar todo el contenido de la memoria SRAM a una memoria EEPROM del mismo tamaño. Cuando se restablece el nivel de tensión necesario en la línea de alimentación, se recupera el contenido de la memoria EEPROM y se vuelca nuevamente a la memoria SRAM. De este modo, se obtiene un acceso a la información mucho más rápido que utilizando memorias no volátiles, al mismo tiempo que se consigue evitar la pérdida de información al dejar de alimentar el circuito. Sin embargo, la densidad de integración de estas memorias es muy baja, con lo que se consigue memorias de muy poca capacidad. La segunda posibilidad integra una memoria SRAM (volátil) con una batería (interna o externa) que permite mantener la información a pesar de una caída en la tensión de alimentación del circuito. Reúne las mismas ventajas e inconvenientes del caso anterior, y aunque su capacidad de integración es algo mayor (mayor capacidad), el tiempo de almacenamiento estable de los datos es menor.

10