Los orígenes del almacenamiento de la información (XII): las memorias RAM

Ignacio Mártil

Catedrático de Electrónica de la Universidad Complutense de Madrid y miembro de la Real Sociedad Española de Física

(El contenido de este artículo está recogido de forma más amplia y detallada en el Capítulo 5 de mi libro: “Microelectrónica. La historia de la mayor revolución silenciosa del siglo XX”; 2018, Ediciones Complutense)

En artículos anteriores de esta serie he descrito cómo la llegada de los semiconductores al campo del almacenamiento de datos y la fundación de Intel, supusieron el comienzo de una hegemonía por parte de estos materiales que es cada vez más patente. En este artículo voy a describir el funcionamiento de las memorias RAM (Random Access Memory) fabricadas con semiconductores.

1. ¿Cómo es una memoria RAM?

La unidad de memoria RAM que describiré a continuación, es la que se conoce universalmente como DRAM (Dinamic RAM), constituida por un transistor y un condensador. Como dato curioso, la memoria DRAM es hoy en día el objeto fabricado por el hombre más abundante en la Tierra. La distinción entre DRAM y SRAM (Static RAM) se detalla en éste vídeo:

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Básicamente, la unidad de una memoria DRAM consta de dos elementos: un conmutador que es una especie de grifo, papel que desempeña un transistor MOSFET (cuyo funcionamiento he descrito en este texto), que se encarga de abrir o cerrar el paso de la corriente, constituída por un paquete de electrones y un depósito, papel que cumple un condensador situado al lado del primero, donde se almacena ese paquete de electrones. La figura muestra esquemáticamente dicha unidad:

Izquierda: esquema de una unidad de memoria RAM, constituida por un transistor MOSFET (“Transistor de acceso”) y un condensador de almacenamiento del bit. Derecha: sección transversal esquemática de la unidad RAM en un circuito integrado. Ver el texto para entender el detalle del funcionamiento

Su funcionamiento, de manera muy simplificada, es el siguiente: cuando se quiere guardar un uno, se aplica una tensión en la “línea de palabra”, que está conectada con el MOSFET, que permite el paso de la corriente desde la “línea de bit” durante un determinado tiempo hacia el condensador de almacenamiento. Una vez que este se carga, el flujo de corriente se interrumpe. En este momento, la unidad tiene almacenado un uno. Debido a que cualquier condensador tiene fugas, es necesario recargar (“refresh”, en la terminología usual) su contenido constantemente, proceso que se realiza en fracciones de milisegundo; esta es una operación que el usuario no percibe mientras está utilizando el ordenador.

Por otra parte, cuando el condensador está cargado y tiene almacenado el uno, este se puede extraer mediante la aplicación de las tensiones adecuadas en la “línea de palabra” y en la “línea de bit”, que posibilitan que dicho uno salga a través de esta última hacia la electrónica de lectura del dispositivo, que no se muestra en la figura anterior. Cuando el condensador se descarga, almacena un cero. El siguiente vídeo ilustra el funcionamiento de estas memorias:

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Cuando se apaga el ordenador, el proceso de recarga cesa y la información se pierde, por lo que para guardarla de manera permanente se necesitan otros dispositivos. El almacenamiento de datos de manera permanente lo llevan a cabo las memorias no volátiles y si se utilizan dispositivos basados en semiconductores para hacerlo, esa función la cumplen las memorias más utilizadas hoy en día, las conocidas como memorias “Flash”, cuya estructura y funcionamiento describiré en un próximo artículo.

2. Tipos de memorias RAM: la imaginación entra en juego

Hasta mediados de la década de 1980, los condensadores de las unidades de memoria DRAM eran coplanares con el transistor de acceso, es decir, se construían en la superficie del semiconductor, por lo que se los denominaba condensadores planos. La necesidad de aumentar la densidad y, en menor medida, el rendimiento, requería diseños que permitieran mucha mayor capacidad de almacenamiento ocupando espacios mucho más reducidos. Este es uno de los grandes cuellos de botella de la tecnología de las memorias RAM: la gran cantidad de espacio que ocupa el condensador de almacenamiento de la información en el chip, especialmente si éste se construye con la geometría planar descrita; es ahí donde se han hecho y se siguen haciendo los principales esfuerzos para poder fabricar memorias de gran densidad y que ocupen espacios reducidos. Para ello, por una parte, se intenta reducir el área ocupada por el condensador, pero cuanto menor es el área, menor es su capacidad y se necesitan valores de la capacidad elevados para lograr tiempos de refresco más dilatados, razón por la que se trata de hacer condensadores de gran área, pero que ocupen espacios reducidos. En ese cruce de factores contrapuestos reside el cuello de botella de la tecnología de memorias.

Con objeto de satisfacer ambas condiciones simultáneamente, a partir de mediados de 1980, el condensador se ha movido por encima o por debajo del sustrato de silicio para cumplir estos objetivos. Las unidades DRAM con condensadores fabricados por encima del sustrato se denominan condensadores apilados; mientras que aquellos con condensadores enterrados debajo de la superficie del sustrato se conocen como condensadores de zanja o trinchera. En la década de 2000, los fabricantes estaban muy divididos por el tipo de condensador utilizado en sus DRAM, y el costo relativo y la escalabilidad a largo plazo de ambos diseños ha sido objeto de un extenso debate. La mayoría de las DRAM de los principales fabricantes como Hynix, Micron Technology o Samsung Electronics utilizan la estructura del condensador apilado, mientras que los fabricantes más pequeños como Nanya Technology utilizan la estructura del condensador de trinchera–zanja. La imagen siguiente muestra la unidad básica de una memoria RAM, en sus dos configuraciones comerciales más habituales hoy en día: zanja y apilado:

Arriba: corte transversal esquemático de una unidad RAM con condensador de zanja (izquierda) y con condensador apilado (derecha). Abajo izquierda: Imagen tomada mediante microscopía electrónica de barrido de un corte transversal de una unidad de memoria RAM con condensador de zanja. Abajo Derecha: con condensador apilado. En círculo rojo, el transistor MOSFET que actúa como llave de paso de los paquetes de electrones hacia o desde el condensador, que está señalado en ambos casos con una flecha.

La potencia, la rapidez y en general, las posibilidades que ofrecen los ordenadores modernos han mejorado espectacularmente durante los últimos 30 años gracias a los no menos espectaculares avances de la tecnología microelectrónica, lo que ha permitido duplicar el número de transistores integrados en un chip cada dos años aproximadamente, lo que se conoce como la Ley de Moore. La siguiente figura muestra la evolución de la Ley de Moore para los procesadores (las CPU’s) y para las memorias RAM:

Ley de Moore para las memorias y para las CPU’s

Debido al incremento señalado en el número de transistores por chip, la capacidad de los procesadores también se ha duplicado cada dos años debido a la mayor velocidad de respuesta de los transistores. Pero ese incremento en las prestaciones de los procesadores no ha venido acompañado de un incremento en las prestaciones del ordenador en su conjunto –entendido éste como la unión entre procesador y memoria–, debido a que el rendimiento del ordenador está limitado fundamentalmente por la interacción entre ambos elementos. Además, a diferencia de las grandes mejoras habidas en el rendimiento del procesador, el rendimiento de las memorias ha sido relativamente modesto en los últimos treinta años.

Como resultado de este desequilibrio, en la actualidad la principal limitación en el rendimiento de los ordenadores modernos se debe a las limitaciones de su unidad de memoria y en concreto, a las limitaciones de la memoria RAM. Este es un cuello de botella que hoy en día tiene difícil solución, lo analizo en el último punto de este artículo.

3. ¿Las memorias RAM en la encrucijada?

El problema que enfrentan los diseñadores de las memorias RAM es que hay que compatibilizar mayor número de condensadores con menor área ocupada por cada uno de llos. Este es el verdadero cuello de botella de la tecnología RAM en la actualidad. Los fabricantes consideran que el concepto de unidad de memoria descrito en este artículo (un transistor—un condensador) está próximo a su final y vaticinan que quedan por llegar al mercado, a lo sumo, un par de generaciones de este dispositivo, dado que sus dimensiones actuales no permiten reducciones adicionales. Lo que no está en absoluto claro es qué dispositivo será el sucesor de la unidad de memoria RAM descrita en este artículo. Las únicas alternativas que actualmente parecen tener la velocidad adecuada para reemplazarlas son las denominadas MRAM (magnetorresistive RAM) y RRAM (resistive RAM). No obstante, su desarrollo hasta el momento ha sido lento y la posibilidad de relevar a la “vieja” RAM, hoy por hoy, parece lejana.

En los dos próximos textos de este blog describiré las memorias Flash, con los que finalizaré esta serie dedicada a la historia de los medios de almacenamiento de la información.