La Evolución E Historia De Las Memorias Flash
En este documento se expone la rápida evolución de las memorias flash desde las últimas décadas del siglo XX hasta la actualidad. Este tipo de modo de almacenamiento, heredero directo de las memorias EEPROM se caracteriza por escribir o leer varias celdas de memoria en una sola operación, en contraposición con su predecesora que solo permitía leer una única celda por operación. Esta tecnología se popularizó en gran medida por su aplicación en la fotografía digital donde revolucionó el modo de almacenar la información. Tras llegar al gran público actualmente las memorias flash están integradas en las memorias USB y en la tecnología SSD.
Introducción
El ámbito de investigación de este informe se sitúa en las ciencias de la computación, para ser más concreto en el ámbito del hardware y de los sistemas de almacenamiento de información. Es un tema sobre el que existen numerosos trabajos y análisis ya sea desarrollados por empresas que comercializan estos componentes o por entidades de investigación como pueden ser las universidades, por esta razón es un tema que cuenta con una amplia base teórica y estado del arte razonablemente desarrollado. El objetivo de este informe es analizar el desarrollo y evolución de las memorias flash así como los paradigmas que se abren para su futuro progreso. En las próximas líneas se procederá a ver en primer lugar los precedentes que sentaron la base de esta tecnología, posteriormente se analizarán los fundamentos electrónicos y para terminar se analizará su comercialización y el futuro de dicho hardware.
Precedentes
A pesar de que en la actualidad las memorias flash constituyen una verdadera familia tecnológica, en origen no fueron más que la evolución de su precedente, las memorias EEPROM “electrically erasable programmable read-only memory”. Las EEPROM son un tipo de memoria no volátil capaces de borrar y reprogramar sus celdas de memoria aplicando voltajes eléctricos en lugar de usar láser como lo hacen otro tipo de memorias. Se caracterizan por no tener limitación en cuanto al número de ocasiones que puede ser leída, pero sí que la tiene en cuanto al borrado y reprogramación, estando su vida útil actualmente entorno a 100.000-1.000.000 de ciclos de reloj. Atendiendo a los detalles técnicos sus celdas de memoria están formadas por transistores MOS de silicio con puerta flotante lo que se denomina estructura SAMOS. En la época en la que las primeras memorias flash fueron creadas las EEPROM solo permitían operar sobre un byte por ciclo pero en la actualidad ya son capaces de operar sobre varios bytes en un solo ciclo de reloj. Este mismo rasgo técnico fue lo que motivó el desarrollo de las flash, puesto que el hecho de que las EEPROM solo actuasen sobre un byte las hacía considerablemente lentas. Por esta razón la principal ventaja de las memorias flash sobre las EEPROM consiste en su velocidad, que resulta muy superior al poder actuar sobre bloques de bytes.
Desarrollo y lanzamiento comercial
La creación de la tecnología flash viene aparejada del nombre de Fujio Masuoka. Este hombre era trabajador de la empresa japonesa Toshiba en la que había inventado la memoria SAMOS en 1971, que permitió más adelante la creación de las EEPROM. Más tarde investigó y patentó en 1980 la tecnología de puerta flotante, fundamental en las memorias flash. En cuanto a lo anecdótico cabe mencionar el porqué del nombre “flash” que proviene de una apreciación de un colega de Masuoka llamado Shoji Ariizumi: “Su colega Shoji Ariizumi sugirió la palabra «flash» porque el proceso de borrado le recordó al flash de una cámara”. En 1983 se patentó la invención de las flash-NOR , creadas por el mismo equipo de Masuoka pero no sería hasta 1987 cuando las flash vieron su lanzamiento ante el gran público. Esto ocurrió en un congreso de dispositivos electrónicos que tuvo lugar en San Francisco en el cual Toshiba presentó las flash-NAND para su posterior lanzamiento comercial.
A pesar de que fue Toshiba la empresa que financió y llevó a cabo las investigaciones y experimentación que daría lugar a la creación de las flash, realmente la empresa que se lucró del descubrimiento y aprovechó el potencial de dicha tecnología fue la compañía americana Intel, que apenas tardaría un año en responder al lanzamiento de las flash-NAND con su comercialización de las flash-NOR. Pero no sería hasta 1994 cuando se produciría la verdadera revolución de las flash. Esto se produjo a raíz de la creación de las primeras tarjetas de memoria por parte de la compañía SanDisk. La gran utilidad y aplicación en la vida real de las flash fue apreciada por la sociedad con su empleo en la fotografía digital. La gente, acostumbrada a la fotografía analógica en la cual solo se podían almacenar 24-36 fotografías por carrete (normalmente) se quedó impresionada al ver como una simple tarjeta de un tamaño muy pequeño era capaz de guardar cientos incluso miles de instantáneas. Las flash compactas “CompactFlash” no solo se emplearon en fotografía sino en muchos otros ámbitos como podía ser la reproducción de audio o la industria del videojuego.
Actualmente el uso que se da habitualmente a la memoria flash es en tarjetas para almacenamiento de fotografías y vídeos, las populares memorias USB y a partir de 2009 aproximadamente en las unidades de estado sólido que hoy en día están propiciando un enorme progreso en los sistemas de almacenamiento e imponiéndose a sus competidores directos, los discos HDD.
Fundamentos de las memorias flash
Como se indicó antes las memorias EEPROM se basaban en la estructura SAMOS, en cambio las memorias flash emplean otro tipo de transistor que se denomina transistor FAMOS, “Floating-gate Avalanche-injection MOS”, que al igual que la estructura SAMOS emplea el sistema de puerta flotante. Este sistema se caracteriza por añadir una puerta adicional a la puerta ya existente entre drenador y fuente. En el caso del transistor FAMOS la puerta flotante suele estar hecha de polisilicio y estar rodeada de un material aislante. Se aplica una tensión negativa sobre el transistor que hace que aparezcan electrones en la superficie cercana a las dos puertas existentes. Mediante un fenómeno conocido como efecto túnel se consigue inyectar dichos electrones en la puerta flotante. Cuando se deja de aplicar la tensión de la que se habló anteriormente (tensión de programación) los electrones quedan encerrados en la puerta flotante, con lo cual el transistor ya queda programado. El borrado se conseguirá liberando los electrones encerrados y esto sucede cuando se vuelve a inducir el efecto túnel Fowler-Nordheim. Las características del polisilicio permiten almacenar la información hasta unos 20 años, tiempo que se puede mantener cargada la puerta flotante.
No todos los dispositivos flash son exactamente iguales pues hay dos tipos, los basados en puertas NOR y los basados en puertas NAND. A pesar de que sus características fundamentales (memoria no-volátil que permite leer y escribir sobre bloques de bytes) son las mismas existen detalles de implementación que hacen que se comporten de manera diferente. La densidad de transistores de las NAND es mucho mayor que la de las NOR además el coste de las NAND es notablemente más pequeño. En cuanto a las velocidades de lectura son superiores en las NOR y en la escritura aparece el gran fuerte de las NOR pues con una flash NOR podemos modificar un byte individual en cambio si deseamos realizar algún cambio con una NAND tendríamos que borrar todo el bloque, modificar el byte deseado y volver a dejar el resto de memoria con su estado anterior. Además las NOR se dice que son mucho más fiables porque la posibilidad de corrupción de datos es muy pequeña. Esto hace que según las necesidades que se den se vaya a emplear un tipo de flash u otro. Para usos muy delicados y en los que un pequeño error (inducido por corrupción) puede provocar un resultado muy adverso la decisión será clara y se elegirá una NOR. En cambio para usos más generales como suelen ser las necesidades de la población general, véase por ejemplo las memorias USB se elegirá una memoria NAND, pues resultan mucho más baratas y presentan mayores densidades.
Conclusión
Como se ha visto anteriormente las memorias flash son una evolución de las EEPROM que por sus características han conseguido instalarse en la sociedad actual y no se espera que la vayan a abandonar en un futuro próximo. Por la contra se espera que sigan evolucionando y mejorando, la ley de Moore en la memoria no-volátil se sigue cumpliendo aunque se augura que esta ley dejará pronto de tener vigencia al alcanzarse los límites físicos que presentan los transistores. Ya se está investigando una solución a esto y se trata de emplear grafeno en lugar de silicio para la fabricación de transistores. Esto podría suponer una enorme revolución en el caso de que se pudiera llevar a cabo de manera masiva. Con lo cual en un futuro podríamos disponer de memorias flash basadas en grafeno. Más a corto plazo el potencial de las flash pasa por ser componente de los dispositivos de estado sólido, que ya se están incorporando en la gran mayoría de ordenadores de sobremesa y portátiles. Los SSD destacan no por su capacidad de almacenamiento sino por sus velocidades de transferencia y le están ganando la batalla a los discos mecánicos HDD.
Este informe se podría expandir de diferentes maneras. Cabría la posibilidad de estudiar con mayor detalle el funcionamiento de los transistores FAMOS así como analizar cuál es el modo en el que se implantan las memorias flash dentro de los dispositivos SSD.
