¿Qué es la memoria flash?
Foto: Un típico lápiz de memoria USB y el chip de memoria flash que encontrará en su interior si lo desmonta (el gran rectángulo negro de la derecha).
Los transistores ordinarios son interruptores electrónicos que se activan o desactivan por medio de la electricidad, y esa es tanto su fuerza como su debilidad. Es un punto fuerte, porque significa que un ordenador puede almacenar información simplemente evitando los patrones de electricidad a través de sus circuitos de memoria. Pero también es una debilidad, porque en cuanto se desconecta la electricidad, todos los transistores vuelven a su estado original y el ordenador pierde toda la información que ha almacenado. Es como un gigantesco ataque de amnesia electrónica.
Foto: Los iPods de Apple, del pasado y del presente. El blanco de la izquierda es un iPod clásico de estilo antiguo con una memoria de disco duro de 20 GB. El nuevo modelo negro de la derecha tiene una memoria flash de 32 GB, lo que lo hace más ligero, más fino, más robusto (es menos probable que se muera si se le cae) y menos consumidor de energía.
La memoria que «se olvida» cuando se apaga se llama Memoria de Acceso Aleatorio (RAM). Hay otro tipo de memoria llamada memoria de sólo lectura (ROM) que no sufre este problema. Los chips ROM tienen información prealmacenada cuando se fabrican, por lo que no «olvidan» lo que saben cuando se enciende y apaga. Sin embargo, la información que almacenan está ahí de forma permanente: nunca se pueden volver a reescribir. En la práctica, un ordenador utiliza una mezcla de diferentes tipos de memoria para diferentes propósitos. Las cosas que necesita recordar todo el tiempo -como lo que hay que hacer cuando se enciende por primera vez- se almacenan en chips de memoria ROM. Cuando estás trabajando en tu ordenador y necesita memoria temporal para procesar cosas, utiliza chips de RAM; no importa que esta información se pierda después. La información que quieres que el ordenador recuerde indefinidamente se almacena en el disco duro. Se tarda más en leer y escribir información en un disco duro que en los chips de memoria, por lo que los discos duros no suelen utilizarse como memoria temporal. En aparatos como las cámaras digitales y los pequeños reproductores de MP3, la memoria flash se utiliza en lugar del disco duro. Tiene ciertas cosas en común con la RAM y la ROM. Al igual que la ROM, recuerda la información cuando se apaga; al igual que la RAM, puede borrarse y reescribirse una y otra vez.
Cómo funciona la memoria flash: una explicación sencilla
Foto: Gire la tarjeta de memoria flash de una cámara digital y podrá ver los contactos eléctricos que permiten que la cámara se conecte con el chip de memoria que se encuentra dentro de la carcasa de plástico protectora.
El flash funciona utilizando un tipo de transistor totalmente diferente que se mantiene encendido (o apagado) incluso cuando se desconecta la alimentación.Un transistor normal tiene tres conexiones (cables que lo controlan) llamadas fuente, drenaje y puerta. Piensa en un transistor como una tubería por la que puede fluir la electricidad como si fuera agua. Uno de los extremos de la tubería (por donde entra el agua) se llama fuente; piense que es un grifo. El otro extremo de la tubería se llama el desagüe, donde el agua sale y fluye. Entre la fuente y el desagüe, bloqueando la tubería, hay una compuerta. Cuando se cierra la puerta, el tubo se cierra, no puede fluir la electricidad y el transistor está apagado. En este estado, el transistor almacena azero. Cuando se abre la compuerta, la electricidad fluye, el transistor está encendido y almacena un uno. Pero cuando se desconecta la corriente, el transistor también se apaga. Cuando se vuelve a encender, el transistor sigue apagado, y como no se puede saber si estaba encendido o apagado antes de que se quitara la corriente, se puede entender por qué decimos que «olvida» cualquier información que almacene.
Un transistor flash es diferente porque tiene una segunda puerta por encima de la primera. Cuando la puerta se abre, una parte de la electricidad se filtra por la primera puerta y se queda allí, entre la primera puerta y la segunda, registrando un número uno.Incluso si se desconecta la alimentación, la electricidad sigue allí entre las dos puertas. Así es como el transistor almacena su información, tanto si está encendido como apagado. La información se puede borrar haciendo que la «electricidad atrapada» vuelva a drenar.
Cómo funciona la memoria flash-una explicación más compleja
Esta es una explicación muy simplificada de algo que es extremadamente complejo. Si quieres más detalles, te ayudará leer primero nuestro artículo sobre transistores, especialmente la parte inferior sobre los MOSFET, y luego seguir leyendo.
Los transistores de la memoria flash son como los MOSFET, sólo que tienen dos compuertas en la parte superior en lugar de una. Este es el aspecto de un transistor flash por dentro. Puedes ver que es un sándwich n-p-n con dos puertas en la parte superior, una llamada puerta de control y otra llamada puerta flotante. Las dos puertas están separadas por capas de óxido a través de las cuales la corriente no puede pasar normalmente:
En este estado, el transistor está apagado y almacenando un cero. Tanto la región de la fuente como la del drenaje son ricas en electrones (porque están hechas de silicio de tipo n), pero los electrones no pueden fluir de la fuente al drenaje debido al material deficiente en electrones, de tipo p, que hay entre ellos. Pero si aplicamos una tensión positiva a los dos contactos del transistor, denominados línea de bits y línea de palabras, los electrones son arrastrados de la fuente al drenaje. Algunos también consiguen atravesar la capa de óxido mediante un proceso llamado tunelización y se quedan atascados en la puerta flotante:
La presencia de electrones en la puerta flotante es la forma en que un transistor flash almacena una. Los electrones permanecerán allí indefinidamente, incluso cuando se eliminen los voltajes positivos y tanto si se suministra energía al circuito como si no. Los electrones pueden ser expulsados mediante la aplicación de un voltaje negativo en la línea de la palabra, lo que repele los electrones por donde vinieron, limpiando la puerta flotante y haciendo que el transistor almacene un cero de nuevo.
No es un proceso fácil de entender, pero así es como la memoria flash hace su magia
¿Cuánto dura la memoria flash?
La memoria flash acaba desgastándose porque sus puertas flotantes tardan más en funcionar después de haber sido utilizadas un cierto número de veces. Se dice mucho que la memoria flash se degrada después de haber sido escrita y reescrita unas «10.000 veces», pero eso es engañoso. Según una patente de flash de Steven Wells, de Intel, de los años 90, «aunque la conmutación empieza a durar más después de unas diez mil operaciones de conmutación, se necesitan aproximadamente cien mil operaciones de conmutación antes de que el tiempo de conmutación ampliado afecte al funcionamiento del sistema». Ya sean 10.000 o 100.000, suele estar bien para una memoria USB o la tarjeta de memoria SD de una cámara digital que se usa una vez a la semana, pero es menos satisfactorio para el almacenamiento principal de un ordenador, un teléfono móvil u otro aparato que se usa a diario durante años. Una forma práctica de evitar el límite es que el sistema operativo se asegure de que se utilicen diferentes bits de la memoria flash cada vez que se borre y almacene la información (técnicamente, esto se llama nivelación de desgaste), de modo que ningún bit se borre con demasiada frecuencia. En la práctica, los ordenadores modernos pueden simplemente ignorar y «pasar de puntillas» por las partes defectuosas de un chip de memoria flash, al igual que pueden ignorar los sectores defectuosos de un disco duro, por lo que el límite de vida útil real de las unidades flash es mucho mayor: entre 10.000 y 1 millón de ciclos. Se han demostrado dispositivos flash de última generación que sobreviven durante 100 millones de ciclos o más.
¿Quién inventó la memoria flash?
La memoria flash fue desarrollada originalmente por el ingeniero eléctrico de ToshibaFujio Masuoka, que presentó la patente estadounidense 4.531.203 sobre la idea junto con su colega Hisakazu Iizuka en 1981. Conocida originalmente como EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory), se ganó el apodo de «flash» porque podía borrarse y reprogramarse instantáneamente, tan rápido como el flash de una cámara. En aquella época, los chips de memoria borrable de última generación (EPROMS ordinarios) tardaban más o menos 20 minutos en ser borrados para su reutilización con un haz de luz ultravioleta, lo que significaba que necesitaban un embalaje caro y transparente a la luz. Existían EPROMS más baratos y borrables eléctricamente, pero utilizaban un diseño más voluminoso y menos eficiente que requería dos transistores para almacenar cada bit de información. La memoria flash resolvió estos problemas.
Foto: 1) Memoria borrable antes de la flash: los chips EPROM tenían unas ventanitas redondas en la parte superior a través de las cuales se podía borrar su contenido mediante una larga ráfaga de luz ultravioleta.Si le interesa, este es un AMD AM27C256 de 32KB (kilobytes) que data de 1986, por lo que tiene unas 1000 veces menos capacidad de almacenamiento que incluso la pequeña tarjeta SD de 32MB (megabytes) de la foto superior.2) Un primer plano de la ventana transparente a los rayos UV y del chip cableado dentro del paquete.
Toshiba lanzó los primeros chips flash en 1987, pero la mayoría de nosotros no conocimos la tecnología hasta dentro de una década, después de que las tarjetas de memoria SD aparecieran por primera vez en 1999 (apoyadas conjuntamente por Toshiba, Matsushita y SanDisk). Las tarjetas SD permitían a las cámaras digitales grabar cientos de fotos y las hacían mucho más útiles que las antiguas cámaras de película, que se limitaban a tomar unas 24-36 fotos a la vez. Al año siguiente, Toshiba lanzó el primer reproductor de música digital con tarjeta SD. Apple tardó unos años más en ponerse al día y adoptar plenamente la tecnología flash en su propio reproductor de música digital, el iPod. Los primeros iPods «clásicos» utilizaban discos duros, pero el lanzamiento del pequeño iPod Shuffle en 2005 marcó el inicio de un cambio gradual, y todos los iPods y iPhones modernos utilizan ahora memoria flash.
¿Cuál es el futuro de la memoria flash?
La memoria flash ha superado rápidamente al almacenamiento magnético durante la última década; en todo, desde los superordenadores y los portátiles hasta los smartphones y los iPods, los discos duros han dado paso a las rápidas y compactas SSD (unidades de estado sólido) basadas en chips flash. Esta tendencia ha sido impulsada -y ha contribuido a impulsar- otra: el paso de los ordenadores de sobremesa y los teléfonos fijos a los dispositivos móviles (smartphones y tabletas) y a los teléfonos celulares, que necesitan memorias ultracompactas, de alta densidad y extremadamente fiables que puedan soportar las tensiones de los desplazamientos en nuestras mochilas y maletines. Estas tendencias favorecen ahora la tecnología flash 3D («apilada»), desarrollada a principios de la década de 2000 y lanzada formalmente por Samsung en 2013, en la que docenas de capas diferentes de células de memoria pueden crecer en la misma oblea de silicio para aumentar la capacidad de almacenamiento (al igual que las múltiples plantas de un bloque de oficinas de gran altura nos permiten empaquetar más oficinas en la misma área de terreno). En lugar de utilizar puertas flotantes (como se ha descrito anteriormente), la memoria flash 3D utiliza una técnica alternativa (aunque a veces menos fiable) denominada trampa de carga, que nos permite diseñar memorias de mucha mayor capacidad en el mismo espacio, hasta llegar a la escala del terabit (Tbit) (1 billón de bits = 1.000.000.000 de bits).
