Memoria flash NAND

¿Qué es la memoria flash NAND?

La memoria flash NAND es un tipo de tecnología de almacenamiento no volátil que no necesita energía para retener los datos. Un objetivo importante del desarrollo de la memoria flash NAND ha sido reducir el coste por bit y aumentar la capacidad máxima del chip para que la memoria flash pueda competir con los dispositivos de almacenamiento magnético, como los discos duros. La memoria flash NAND ha encontrado un mercado en los dispositivos en los que se cargan y sustituyen con frecuencia archivos de gran tamaño. Los reproductores MP3, las cámaras digitales y las unidades flash USB utilizan tecnología NAND.

Flash NAND guarda los datos en forma de bloques y se basa en circuitos eléctricos para almacenarlos. Cuando se desconecta la alimentación de la memoria flash NAND, un semiconductor de óxido metálico proporciona una carga adicional a la celda de memoria, conservando los datos. El semiconductor de óxido metálico que se suele utilizar es un transistor de puerta flotante (FGT). Los FGT tienen una estructura similar a las puertas lógicas NAND.

Las celdas de memoria NAND se fabrican con dos tipos de puertas, puertas de control y puertas flotantes. Ambas puertas ayudarán a controlar el flujo de datos. Para programar una celda, se envía una carga de voltaje a la puerta de control.

Funcionamiento de la memoria flash NAND

La memoria flash es un tipo especial de chip de memoria de sólo lectura programable y borrable electrónicamente (EEPROM). El circuito flash crea una cuadrícula de columnas y filas. Cada intersección de la cuadrícula contiene dos transistores separados por una fina capa de óxido — un transistor se llama puerta flotante y el otro se llama puerta de control. La puerta de control conecta la puerta flotante con su fila respectiva en la cuadrícula.

Mientras la puerta de control proporciona este enlace, la celda de memoria tiene un valor digital de 1, lo que significa que el bit se borra. Para cambiar la celda a un valor digital de 0 — es decir, para programar el bit — debe producirse un proceso denominado tunelización Fowler-Nordheim, o simplemente tunelización.

La tunelización cambia la forma en que los electrones se colocan en la puerta flotante. Se envía un voltaje de señal a lo largo de la línea de columna respectiva de la cuadricula, entra en la puerta flotante y drena la carga de la puerta flotante a tierra. Este cambio hace que los electrones sean empujados a través de la capa de óxido y altera la carga en la capa de óxido, lo que crea una barrera entre la puerta flotante y la puerta de control. Cuando este cambio hace descender la carga por debajo de un determinado umbral de tensión, el valor de la célula se convierte en un 0 digital. Una celda flash puede borrarse (volver al 1 digital) aplicando una carga de mayor tensión, que detiene el efecto túnel y devuelve carga a la puerta flotante.

Este proceso requiere una tensión suministrada por un circuito de control activo. Pero las celdas que componen el dispositivo flash mantendrán sus estados de carga o descarga indefinidamente una vez que se retire la alimentación externa al chip. Esto es lo que hace que la memoria flash NAND sea no volátil.

El proceso de carga y tunelización que tiene lugar en una celda flash es destructivo para los transistores, y la celda sólo puede programarse y borrarse un número finito de veces antes de que empiece a estropearse y fallar. Es un concepto de flash llamado desgaste de la memoria o simplemente desgaste.

Historia y evolución de la memoria flash NAND

Las memorias flash tienen su origen en el desarrollo de los transistores MOSFET. La tecnología MOSFET se desarrolló en 1959, y el desarrollo de los MOSFET de puerta flotante llegó en 1967. Los desarrolladores de estos primeros transistores se dieron cuenta de que los dispositivos podían mantener estados sin alimentación externa y propusieron su uso como celdas de memoria de puerta flotante para chips de memoria programable de sólo lectura (PROM) que serían tanto no volátiles como reprogramables, lo que supondría una ventaja potencial en flexibilidad respecto a los chips ROM existentes. Estos transistores constituyeron la base de los dispositivos PROM borrable (EPROM) y EEPROM durante la década de 1970, aunque su uso fue limitado.

Los diseñadores de Toshiba fueron los primeros en rediseñar grupos de celdas de memoria flash en bloques o grupos y agregar los circuitos utilizados para borrar rápidamente bloques enteros. Se decía que este rápido borrado ocurrió en un instante (flash) y el nombre permaneció. El flash NOR se propuso en 1984 y el flash NAND en 1987.

Toshiba fabricó algunos de los primeros dispositivos flash NAND en 1987, mientras que Intel fabricó dispositivos flash NOR en 1988. Los dispositivos de tarjetas de memoria extraíbles basados en NAND, como SmartMedia, aparecieron a mediados de la década de 1990 y presentaron diversas variantes, como MultiMediaCard y otros factores de forma. Las tarjetas extraíbles, como las miniSD y microSD, evolucionaron y proporcionaron un mejor rendimiento en factores de forma más pequeños.

Los fabricantes avanzaron a pasos agigantados en la densidad, el rendimiento y la fiabilidad de la memoria flash NAND durante las décadas de 2000 y 2010, aprovechando las nuevas tecnologías de diseño de celdas, como la celda multinivel (MLC), que ofrece dos bits por celda, la celda de triple nivel (TLC), que almacena tres bits por celda, y la celda de cuádruple nivel (QLC), que almacena cuatro bits por celda. Otros avances en la tecnología de celdas de memoria permiten apilarlas en capas para ofrecer una capacidad de almacenamiento flash aún mayor.

Tipos de almacenamiento flash NAND

Los tipos más comunes de almacenamiento flash NAND son SLC, MLC, TLC, QLC y 3D NAND. Lo que diferencia a cada tipo es el número de bits por celda. Cuantos más bits se almacenen en cada celda, menos costará el almacenamiento flash NAND.

• SLC, o celdas de un solo nivel, almacenan un bit por celda. SLC tiene la mayor resistencia, pero también es el tipo más caro de almacenamiento flash NAND.
• MLC, o celdas multinivel, almacenan dos bits por celda. Dado que los borrados y los ciclos de escritura se producen dos veces más, MLC tiene menos resistencia en comparación con SLC. Sin embargo, es menos cara. Muchos PC utilizan MLC.
• TLC, o celdas de triple nivel, almacenan tres bits por celda. Muchos productos de consumo la utilizan porque es menos cara, pero de menor rendimiento.
• QLC, o celdas de cuatro niveles, almacenan cuatro bits por celda. Las QLC tienen aún menos resistencia y suelen ser menos caras.
• NAND 3D: la NAND 2D o planar sólo tiene una capa de celdas de memoria, mientras que la NAND 3D apila las celdas unas encima de otras. Samsung se refiere a NAND 3D como NAND vertical o V-NAND.

Escasez de flash NAND

Las incesantes demandas de almacenamiento de datos y dispositivos portátiles han generado una escasez de chips flash NAND. La escasez de flash NAND comenzó en 2016 y continuará hasta 2022. La escasez se debe en parte a la demanda, pero también a que los proveedores están pasando de fabricar NAND 2D o planar a una tecnología NAND 3D mucho más densa. Fabricar chips NAND 3D es un proceso más complicado.

En la actualidad, las unidades de estado sólido (SSD) y los smartphones son los principales impulsores del mercado de la memoria flash NAND. El mercado de las memorias flash NAND alcanzó los 46.000 millones de dólares en 2020 y se espera que supere los 85.000 millones de dólares en 2026.

Flash NAND vs Flash NOR

Los dos tipos principales de flash son la memoria flash NOR y NAND, que reciben su nombre de sus respectivas puertas lógicas.

La memoria flash NAND se escribe y lee en bloques más pequeños que el dispositivo, mientras que la memoria flash NOR lee y escribe bytes de forma independiente. Las memorias flash NOR y NAND se utilizan en ordenadores portátiles y de sobremesa, cámaras digitales y reproductores de audio, teléfonos inteligentes, videojuegos y electrónica científica, industrial y médica.

La memoria flash NAND ofrece tiempos de borrado y escritura más rápidos que la NOR, mientras que la tecnología NAND proporciona una mayor densidad a un coste inferior por bit. La tecnología NAND también ofrece hasta 10 veces más resistencia que la NOR.

La NAND no es un sustituto adecuado de la ROM porque no ofrece acceso aleatorio a nivel de byte, que es lo que suelen necesitar los datos almacenados en ROM. La memoria NOR es un buen sustituto de las unidades RAM y ROM. La memoria NAND está más relacionada con los dispositivos de almacenamiento secundario, como los discos duros. Esto hace que la memoria flash NAND sea buena para casos de uso de almacenamiento masivo, como las unidades SSD.

Limitaciones y retos de la memoria flash NAND

Las tecnologías de memoria flash han aportado enormes ventajas a los dispositivos electrónicos modernos, desde las tarjetas de memoria no volátil de las cámaras hasta las unidades SSD para empresas. Pero a pesar de las ventajas, las tecnologías flash como la memoria flash NAND presentan varias limitaciones y retos clave que afectan al rendimiento y la fiabilidad, como el desgaste, el borrado, la diafonía y la sensibilidad.

• La memoria flash tiene un número finito de ciclos de programación/borrado (P/E). La mayoría de los productos flash básicos están clasificados para 100.000 ciclos P/E antes de que la integridad de la celda de almacenamiento empiece a fallar, aunque algunos tipos de chips flash NAND están clasificados para 1 millón de ciclos P/E o más. El desgaste suele mitigarse distribuyendo las operaciones de escritura por todo el dispositivo flash, lo que se denomina nivelación del desgaste. También se pueden emplear técnicas de verificación de escritura y reasignación para gestionar los bloques defectuosos. Cabe destacar que los ciclos de lectura no están limitados.
• Aunque la memoria flash puede escribirse byte a byte o palabra a palabra, la memoria flash debe borrarse en bloques completos. Cuando se borra un bloque, todos los bits se ponen a 1. Una vez que un bit se cambia a 0, la memoria se borra. Una vez que un bit se cambia a 0, debe borrarse todo el bloque para volver a cambiar un bit a 1. Se necesita un tiempo finito para borrar un bloque antes de que puedan producirse nuevas escrituras, lo que limita el rendimiento general de la memoria flash en comparación con otras formas de memoria volátil, como la RAM dinámica (DRAM). El borrado también forma parte del problema del desgaste de la memoria.
• La lectura de una memoria flash NAND puede hacer que las celdas de memoria cercanas cambien con el tiempo. Es un fenómeno llamado perturbación de lectura. En la práctica, pueden necesitarse cientos de miles de lecturas para que se produzca un cambio de bits: es mucho más probable que el bloque se borre y se reprograme mucho antes de que se alcance el umbral de alteración de lectura. Sin embargo, los circuitos de la flash pueden contar los ciclos de lectura e intervenir para copiar el bloque antes de que se produzca una perturbación de la lectura.
• Las partículas de alta energía, como los rayos X, a veces pueden cambiar 0s en 1s en una matriz de celdas de memoria flash. Para evitar estos problemas, existen dispositivos de memoria resistentes a los rayos X.

Industria y proveedores de memorias flash NAND

Según Mordor Intelligence, el mercado de las memorias flash NAND tenía un valor estimado de más de 46.000 millones de dólares en 2020, y se prevé que supere los 85.000 millones de dólares en 2026, lo que supone una CAGR del 11.27%. Se espera que este crecimiento se vea impulsado por la demanda de dispositivos informáticos como teléfonos inteligentes, tarjetas de memoria, unidades SSD e incluso proyectos de uso intensivo de memoria como la inteligencia artificial. Los principales fabricantes mundiales de dispositivos de memoria flash NAND son seis:

• Samsung Electrónica
• Kioxia
• Western Digital (WD) Corporation
• Micron Technology
• SK Hynix
• Intel

El futuro de la memoria flash NAND

La memoria flash NAND se ha convertido en un componente vital de los dispositivos electrónicos móviles modernos. A medida que estos dispositivos proliferen y se esfuercen por ofrecer más características y funciones, se demandarán volúmenes cada vez mayores de memoria flash NAND para gestionar las crecientes necesidades de almacenamiento de códigos y datos.

El principal objetivo del diseño y la evolución de la memoria flash NAND es la densidad, es decir, empaquetar más bits en chips más pequeños y de menor perfil. En los últimos años, SK Hynix ha desarrollado una memoria NAND 4D de 128 capas. Esto permite fabricar dispositivos de almacenamiento NAND de 1 TB con un grosor de sólo 1 mm, ideal para smartphones. Del mismo modo, Samsung ha fabricado un dispositivo V-NAND con más de 100 capas que ofrece un mejor rendimiento de memoria gracias a su menor latencia y consumo de energía.

Estos impulsos fundamentales hacia una mayor capacidad y un rendimiento superior probablemente darán forma al futuro de los dispositivos NAND. Los fabricantes ya están desarrollando dispositivos 3D NAND de 192 capas y están llegando dispositivos NAND de 256 capas. Los fabricantes alcanzarán estos objetivos mediante el uso de diseños innovadores de circuitos flash junto con materiales semiconductores y tecnologías de fabricación en constante mejora que producen obleas flash. Al mismo tiempo, los fabricantes de flash buscarán mejorar la confiabilidad de los dispositivos NAND en el futuro extendiendo su vida útil y reduciendo el potencial de error de bits — como el fenómeno de perturbación de lectura.