Memoria Flash

¿Qué es la Memoria Flash?

La memoria flash, también conocida como almacenamiento flash, es un tipo de memoria no volátil que borra los datos en unidades llamadas bloques y reescribe los datos a nivel de bytes. Se utiliza ampliamente para el almacenamiento y la transferencia de datos en dispositivos de consumo, sistemas empresariales y aplicaciones industriales. La memoria flash retiene los datos durante un largo periodo de tiempo, independientemente de si el dispositivo equipado con flash está encendido o apagado.

La memoria flash se utiliza en la tecnología de servidores, almacenamiento y redes de centros de datos empresariales, así como en una amplia gama de dispositivos de consumo, como unidades flash USB –también conocidas como memorias sticks — tarjetas SD, teléfonos móviles, cámaras digitales, tabletas y tarjetas PC en ordenadores portátiles y controladores embebidos.

Existen dos tipos de memoria flash: NAND y NOR. Las unidades de estado sólido (SSD) basadas en flash NAND suelen utilizarse para acelerar el rendimiento de las aplicaciones de E/S intensiva. La memoria flash NOR suele utilizarse para almacenar código de control, como la BIOS de un PC.

La memoria flash también se utiliza para la computación en memoria para ayudar a acelerar el rendimiento y la escalabilidad de los sistemas que administran y analizan grandes conjuntos de datos.

Orígenes de las Tecnologías de Almacenamiento Flash

Se atribuye al Dr. Fujio Masuoka la invención de la memoria flash cuando trabajaba para Toshiba en la década de 1980. Se dice que Shoji Ariizumi, colega de Masuoka, acuñó el término flash porque el proceso de borrar todos los datos de un chip semiconductor le recordaba al flash de una cámara.

La memoria flash evolucionó de la erasable programmable read-only memory (EPROM) a la electrically erasable programmable read-only memory (EEPROM). Flash es técnicamente una variante de EEPROM, pero la industria reserva el término EEPROM para la memoria borrable a nivel de byte y aplica el término memoria flash a la memoria borrable a nivel de bloque de mayor tamaño.

¿Cómo Funciona una Memoria Flash?

Las memorias flash almacenan información en celdas de memoria que utilizan transistores de puerta flotante para almacenar y recuperar datos. Un alto voltaje atrapa electrones en la compuerta flotante para almacenar los datos, y cuando hay que borrarlos, se libera la carga de la compuerta flotante. Para leer los datos almacenados, se comprueba la carga de la compuerta flotante.

A continuación se examinan los distintos componentes y procesos de la memoria flash:

Estructura. La arquitectura de la memoria flash incluye una matriz de memoria apilada con multitud de celdas flash. Una celda de memoria flash básica consta de un transistor de almacenamiento con una compuerta de control y una compuerta flotante, que está aislada del resto del transistor por un fino material dieléctrico o capa de óxido. La compuerta flotante almacena la carga eléctrica y controla el flujo de la corriente eléctrica.

Programación. Se añaden o retiran electrones de la compuerta flotante para modificar la tensión umbral del transistor de almacenamiento. Cambiar la tensión afecta si una celda está programada como cero o uno.

Un proceso denominado tunelización de Fowler-Nordheim extrae electrones de la compuerta flotante. La tunelización de Fowler-Nordheim o un fenómeno conocido como inyección de electrones calientes en el canal atrapan los electrones en la puerta flotante.

Borrado y tunelización. Con la tunelización de Fowler-Nordheim, los datos se borran mediante una fuerte carga negativa en la compuerta de control. Esto fuerza a los electrones a entrar en el canal, donde existe una fuerte carga positiva. Lo contrario ocurre cuando se utiliza la tunelización Fowler-Nordheim para atrapar electrones en la compuerta flotante. Los electrones logran atravesar la fina capa de óxido hasta la compuerta flotante en presencia de un campo eléctrico elevado, con una fuerte carga negativa en la fuente de la celda y el drenaje, así como una fuerte carga positiva en la compuerta de control.

Inyección de electrones calientes en el canal. También conocida como inyección de portadora caliente, la inyección de electrones calientes en el canal permite a los electrones atravesar el óxido de la compuerta y cambiar la tensión umbral de la compuerta flotante. Esta ruptura se produce cuando los electrones adquieren suficiente energía de la alta corriente en el canal y la carga de atracción en la compuerta de control.

Aislamiento eléctrico y almacenamiento persistente. Los electrones quedan atrapados en la compuerta flotante independientemente de si un dispositivo que contiene la celda de memoria flash está recibiendo energía o no, debido al aislamiento eléctrico creado por la capa de óxido. Esta característica permite a la memoria flash proporcionar almacenamiento persistente.

Ventajas de la Memoria Flash

La memoria flash posee beneficios únicos que la hacen fundamental para la forma en que vivimos nuestras vidas digitales:

• Robusta y resistente: Como la memoria flash es de estado sólido, es mucho más resistente a los golpes y caídas. No es invencible, pero es mucho más resistente que un disco duro y lo suficientemente robusta para la mayoría de los casos de uso.
• No volátil: La memoria flash no necesita energía eléctrica para almacenar sus datos. Por lo tanto, los usuarios no tienen que preocuparse por la pérdida de datos si se corta la corriente.
• Barata: Hace tiempo, las memorias flash tenían un precio elevado. Hoy, sin embargo, el coste de los componentes se ha reducido drásticamente. La memoria flash ahora es extremadamente asequible, especialmente si está comprando almacenamiento rentable como unidades USB a granel.
• Ocupa poco espacio: Los días de los voluminosos discos duros en los dispositivos de consumo han quedado atrás. Los chips NAND son extremadamente compactos y pueden almacenar grandes cantidades de datos.
• Rapidez: Los dispositivos de memoria flash poseen hoy en día una velocidad de transferencia de unos 4.8 GB por segundo, un rendimiento inigualable por otras tecnologías de almacenamiento. Incluso las unidades de disco duro más rápidas sólo pueden transportar datos a velocidades de hasta 150 MB por segundo.
• Eficaz: Las operaciones de la memoria flash no necesitan componentes móviles. Por tanto, su consumo de energía es mínimo. Además, no produce sonido, lo que la hace adecuada para smartphones, iPads y ordenadores portátiles, así como para otros dispositivos con un factor de forma ajustado y compacto.

Inconvenientes de la Memoria Flash

Para la mayoría de los casos de uso, la memoria flash sólo tiene un inconveniente real: su vida útil finita. Recuerda que la memoria NAND tiene que borrar y reescribir bloques enteros de memoria en lugar de editar bits individuales. Cada vez que lo hace, utiliza lo que se llama un “ciclo de escritura”. Esto consume una mínima parte de los metales del interior de los transistores, que acabarán agotándose en el transcurso de muchos años.

Cada chip NAND tiene un número finito de ciclos de escritura, aunque es un número elevado; a menudo 100.000 o más. Además, las distintas tecnologías de memoria flash gestionan los ciclos de escritura de forma diferente, por lo que un archivo modificado no equivale necesariamente a un ciclo de escritura. Sin embargo, debido a esto, sigue siendo una buena idea maximizar la vida útil de su unidad flash al no editar archivos directamente en la unidad.

Ejemplos de Aplicaciones de Memoria Flash

Por su pequeño tamaño, rápido acceso a los datos y naturaleza no volátil, la memoria flash se utiliza ampliamente en una gran variedad de dispositivos electrónicos.

Estas son algunas de las aplicaciones más importantes de la memoria flash:

• Unidades flash USB. Las unidades flash USB, también conocidas como memorias USB, utilizan memoria flash para almacenar datos. Estas unidades se utilizan principalmente para almacenar y transferir datos entre diferentes computadoras y dispositivos electrónicos y tienen una interfaz USB integrada.
• SSD. Las SSDs son dispositivos de almacenamiento que sustituyen a las tradicionales unidades de disco duro (HDD) mecánicas por la memoria flash como principal medio de almacenamiento. Las SSD son muy populares en portátiles, ordenadores de sobremesa y servidores porque proporcionan un acceso más rápido a los datos, mayor fiabilidad y menor consumo de energía.
• Tarjetas de memoria. Las tarjetas de memoria vienen en muchos formatos -tarjetas digitales seguras (SD), tarjetas microSD, lápices de memoria, tarjetas CompactFlash- y utilizan memoria flash para el almacenamiento. Las tarjetas de memoria se utilizan habitualmente para ampliar la capacidad de almacenamiento en cámaras digitales, tabletas y dispositivos como videoconsolas portátiles.
• Smartphones y tabletas. La memoria flash sirve como almacenamiento principal en smartphones y tabletas. Permite tiempos de carga más rápidos, un almacenamiento de datos eficaz y un acceso rápido a los archivos multimedia.
• Dispositivos wearables. La tecnología wearable utiliza memoria flash para almacenar datos de usuario, aplicaciones y sistemas operativos. Algunos ejemplos son los relojes inteligentes, las pulseras fitness y las gafas inteligentes.
• Robots industriales: Muchas industrias utilizan robots industriales para sustituir procesos inducidos por mano de obra. Las instrucciones para sus operaciones y tareas suelen programarse en su memoria flash interna.
• Instrumentos científicos: La mayoría de los instrumentos científicos modernos, incluidos el microscopio electrónico, los medidores de pH y los de conductividad eléctrica, contienen su propia memoria flash para almacenar temporalmente los datos.

Memoria Flash NOR vs NAND

Las memorias flash NOR y NAND difieren en arquitectura y características de diseño. La memoria flash NOR no utiliza componentes compartidos y puede conectar celdas de memoria individuales en paralelo, lo que permite el acceso aleatorio a los datos. Una celda flash NAND es más compacta y tiene menos líneas de bits, por lo que encadena transistores de puerta flotante para aumentar la densidad de almacenamiento.

La tecnología NAND se adapta mejor al acceso de datos en serie que al aleatorio. Las geometrías del proceso de flash NAND se desarrollaron en respuesta a que la NAND planar alcanzó su límite de escalado práctico.

La flash NOR es rápida en la lectura de datos, pero suele ser más lenta que la NAND en el borrado y la escritura. Flash NOR programa los datos a nivel de bytes. Flash NAND programa los datos en páginas, que son más grandes que los bytes, pero más pequeñas que los bloques. Por ejemplo, una página puede ser de 4 kilobytes (KB), mientras que un bloque puede tener un tamaño de 128 KB a 256 KB o megabytes. La tecnología flash NAND consume menos energía que la tecnología flash NOR en aplicaciones de escritura intensiva.

La flash NOR es más cara de producir que la flash NAND y tiende a utilizarse principalmente en dispositivos de consumo y embebidos para fines de arranque y aplicaciones de sólo lectura para almacenamiento de código. La tecnología flash NAND es más adecuada para el almacenamiento de datos en dispositivos de consumo, así como en servidores y sistemas de almacenamiento empresariales, debido a su menor coste por bit para almacenar datos, su mayor densidad y sus mayores velocidades de programación y borrado.

Los dispositivos, como los teléfonos con cámara, pueden utilizar flash NOR y NAND — además de otras tecnologías de memoria — para facilitar la ejecución de código y el almacenamiento de datos.

Factores de Forma de la Memoria Flash

Las memorias flash se basan en un sustrato de silicio. También conocidos como dispositivos de estado sólido, se utilizan ampliamente tanto en electrónica de consumo como en sistemas de almacenamiento de datos empresariales.

La Iniciativa de Almacenamiento de Estado Sólido, un proyecto de la Asociación de la Industria de Redes de Almacenamiento, ha identificado los siguientes tres factores de forma SSD:

• SSDs que encajan en las mismas ranuras utilizadas por los discos duros electromecánicos tradicionales. Las SSDs tienen una arquitectura parecida a la de un circuito integrado.
• Tarjetas de estado sólido que residen en una placa de circuito impreso y utilizan un factor de forma de tarjeta estándar, como Peripheral Component Interconnect Express (PCIe).
• Módulos de estado sólido que encajan en un módulo de memoria en línea dual (DIMM) o en un módulo de memoria en línea dual de pequeño contorno y que utilizan una interfaz de disco duro estándar, como el Serial Advanced Technology Attachment (SATA).

Otra subcategoría son los discos duros híbridos, que combinan un disco duro convencional con un módulo flash NAND. Los discos duros híbridos suelen considerarse un puente entre los soportes giratorios y la memoria flash.