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ReRAM o memoria de acceso aleatorio resistiva​: ¿Cómo funciona?

La ReRAM es un tipo de memoria que combina las bondades de la memoria NAND Flash y la memoria DRAM. Esta memoria resistiva se propuso hace años, y el primero en anunciar su producción fue el fabricante Crossbar, cuando anunció los primeros chips en 2013.

La idea era crear unos dispositivos de memoria capaces de ser hasta 100 veces más rápidos que una RAM convencional de aquella época. Pese a eso, este tipo de RAM resistiva aún no ha dominado el mercado y se ha transformado en el estándar de facto, sino que sigue sieno algo marginal. En este post entenderás el motivo, así como aprender todo lo que debes saber sobre este nuevo concepto de celda de memoria.

¿Qué es la memoria NAND flash?

ROM

La memoria flash NAND es un tipo de memoria de almacenamiento flash que almacena datos en conjuntos de células de memoria que se fabrican con transistores de puerta flotante. La memoria flash NAND es una forma de almacenamiento no volátil, lo que significa que mantiene sus datos incluso cuando no hay energía. La memoria NAND es no volátil, lo que significa que conserva los datos almacenados aunque se apague.

Esta tecnología de almacenamiento flash es un almacén no volátil basado en un chip, a diferencia de la DRAM, que no necesita una fuente constante de electricidad. La memoria flash NAND es el formato de almacenamiento de datos más habitual en las unidades de estado sólido (SSD), las tarjetas de memoria integradas y los dispositivos USB. En este sentido, la memoria flash NAND es similar a otros dispositivos de almacenamiento de datos secundarios, como los discos duros y los medios ópticos, y por tanto es muy adecuada para su uso en dispositivos de almacenamiento de datos a gran escala, como las tarjetas de memoria y las unidades de estado sólido (SSD).

Un objetivo importante en el desarrollo de la memoria flash NAND ha sido reducir el coste por bit y aumentar la capacidad máxima por chip, para que la memoria flash pueda competir con los dispositivos de almacenamiento magnético, como los discos duros. Los fabricantes hicieron avances en la densidad, el rendimiento y la fiabilidad de la memoria flash NAND a lo largo de las décadas de 2000 y 2010, aprovechando las nuevas tecnologías de diseño de celdas, como las celdas multinivel (MLC) que ofrecen dos bits por celda, las celdas de triple nivel (TLC) que almacenan tres bits por celda y las celdas de cuádruple nivel (QLC) que almacenan cuatro bits por celda. La reducción de celdas mediante las tecnologías de nivel de celda antes mencionadas provoca interferencias entre celdas, lo que reduce la integridad de los datos en la memoria flash NAND. Debido a la reducción de la superficie de la matriz provocada por las celdas más pequeñas, la memoria flash NAND proporciona las mayores capacidades que requiere el mercado actual de consumidores de bajo coste.

Las lecturas hacen que la flash NAND sea más un dispositivo de almacenamiento de datos que la memoria de tipo RAM, ya que no permite el acceso aleatorio a los datos, que es lo que requieren muchas aplicaciones. Esta característica hace que la flash NAND sea especialmente atractiva para los usuarios industriales, que necesitan una forma de almacenamiento de datos lo suficientemente robusta como para salvaguardar los datos incluso si se produce una pérdida de energía. La flash NAND tiene las ventajas de una gran capacidad y una alta velocidad de escritura, adecuadas para el almacenamiento de grandes cantidades de datos, por lo que ha sido cada vez más utilizada por la industria, por ejemplo, en productos integrados como cámaras digitales, unidades compactas USB flash y otros. Los reproductores de MP3, las cámaras digitales y las memorias USB utilizan la tecnología NAND.

El tipo NAND se encuentra sobre todo en las tarjetas de memoria, las unidades flash USB, las unidades de estado sólido (las fabricadas después de 2009), los teléfonos fijos, los smartphones y otros productos similares, que se utilizan para almacenar y compartir datos. En resumen, la NAND Flash es un tipo de tecnología de memoria no volátil (NVM) que almacena datos en matrices de células de memoria, que se fabrican mediante tecnología de captura de carga o transistores de puerta flotante MOSFET. Las memorias NAND verticales (V-NAND) o NAND 3D apilan las células de memoria verticalmente y utilizan la arquitectura flash Charge Trap. Las dos de la izquierda son NAND planas, pero la estructura de las celdas de memoria es diferente, pasando de la puerta flotante a la flash de captura de carga, es decir, la CTF (Charge Trap Flash) 2D que se muestra arriba.

¿Qué es la memoria DRAM?

La memoria dinámica de acceso aleatorio (DRAM) es un tipo de memoria RAM para ordenadores que se utiliza desde mediados de la década de 1960. DRAM son las siglas de Dynamic Random Access Memory (memoria dinámica de acceso aleatorio), y es el tipo de memoria semiconductora que se ve en las RAM y las GPU (también conocidas como tarjetas gráficas). La memoria RAM dinámica (DRAM) es un tipo de memoria semiconductora que utiliza condensadores para el almacenamiento de bits.

La DRAM es una memoria volátil, es decir, los datos de una memoria se pierden cuando se desconecta la alimentación. Todos los tipos de RAM, incluida la DRAM, son una memoria volátil, que almacena los bits de datos en transistores. La memoria dinámica de acceso aleatorio (DRAM o RAM dinámica) es un tipo de memoria semiconductora de acceso aleatorio que almacena cada bit de datos en una célula de memoria, normalmente formada por un pequeño condensador y un transistor, y que generalmente se basa en la tecnología de semiconductores de óxido metálico (MOS).

En 1970, la compañía Intel lanzó públicamente el 1103 (véase la imagen adyacente), el primer chip con DRAM (1K-bit dynamic RAM PMOS IC), y en 1972, el 1103 era el chip de memoria semiconductor más vendido del mundo, superando a la memoria de tipo magnético.

La DRAM es un tipo común de memoria de acceso aleatorio (RAM) utilizada en ordenadores personales (PC), estaciones de trabajo y servidores. Debido a que la DRAM puede almacenar una mayor cantidad de datos que la SRAM, y a que su fabricación es considerablemente más barata, la DRAM es el tipo de memoria más común en los sistemas informáticos como medio de almacenamiento principal, dejando la flash para los secundarios y las SRAM para memorias de menor capacidad, pero más rápidas.

En consecuencia, la SRAM (pronunciada como ES-RAM) es más rápida, pero también es más cara, por lo que la DRAM es la memoria más común en los sistemas informáticos. En general, la RAM es mucho más rápida que otros tipos de memoria que utiliza el ordenador, y la DRAM es aún más rápida. Con más RAM en un ordenador, hay menos necesidad de que la CPU lea datos de la memoria secundaria (con latencias más altas), lo que permite que el ordenador funcione más rápidamente.

Una vez cargado el sistema operativo, el ordenador utiliza la memoria RAM, para mantener temporalmente los procesos del software mientras la Unidad Central de Procesamiento (CPU) realiza otras tareas. Una de las mayores aplicaciones de la DRAM es el almacenamiento principal (llamado RAM) en los ordenadores modernos y en las tarjetas gráficas (donde la RAM principal se llama almacenamiento de gráficos). El uso de la DRAM como memoria principal del ordenador es una de sus aplicaciones más comunes.

La DRAM es una opción de memoria semiconductora que un diseñador de sistemas puede elegir para construir un ordenador. La memoria dinámica de acceso aleatorio (DRAM) es un tipo de memoria semiconductora que suele utilizarse para los datos o el código de programación necesarios para el funcionamiento del procesador del ordenador. A pesar de requerir el diseño de circuitos adicionales de refresco en el bus del procesador del ordenador, la DRAM era el tipo de memoria más utilizado hasta hace poco tiempo, ya que era mucho más barata de producir que la RAM estática no volátil.

¿Qué es la ReRAM?

SSD PCI Express 5.0

La memoria ReRAM, o memoria RAM resistiva, es un tipo de memoria no volátil, es decir, que si se desconecta de la fuente de energía seguirá manteniendo los datos, a diferencia de lo que ocurriría con una memoria RAM convencional, que son memorias volátiles y necesitan estar constantemente con suministro eléctrico para no borrarse. Además, al seguir siendo una memoria de acceso aleatorio y rápida, también tiene las ventajas de la DRAM, por lo que se podría considerar a nivel técnico un híbrido entre la DRAM y la NAND flash.

Para conseguir esto, las celdas de memoria ReRAM están formadas por 3 capa. La superior es el electrodo metálico, la inferior es el otro electrodo, en este caso también metálico, y la central es un tipo de dieléctrico (un material en estado sólido conocido como memristencia) que acutará como un interruptor pudiendo almacenar bits (unos y ceros). Es decir, su forma de funcionar sería parecido a una PCM o CBRAM, sin transistores que almacenen carga ni nada parecido.

RERAM
En la imagen se puede apreciar cómo los iones metálicos bajan y hacen contacto con el electrodo inferior y hace contacto, por lo que la corriente puede fluir de uno a otro, obteniendo una tensión o 1. Mientras que cuando se dispersan, el resultado es que deja de hacer contacto y se obtiene un 0. – Fuente: researchgate.net

Una célula de memoria ReRAM funciona gracias a la cesión de iones metálicos del electrodo metálico al electrodo no metálico, creando un filamento conductor entre ambos cuando el dieléctrico lo permite. De esta forma, si no están conectados será un valor 0 (OFF), mientras que si están conectados será un valor 1 (ON). Eso no solo hace que sea rápida y simple, sino que también permite que la controladora de memoria sea mucho más simple y fiable, así como más barata de fabricar.

Por otro lado, este tipo de memorias son hasta 20 veces más eficientes que una NAND convencional, y pueden durar hasta 10 veces más ciclos que la NAND, lo que las hace mucho más interesantes.

Inconvenientes que han frenado a la ReRAM

RAM

Parece que la ReRAM o RRAM son todo ventajas. Esto no cuadra con el hecho de no ver que esta memoria se haya transformado en la predominante en el mercado. Y es que no todo son ventajas, también tiene algunos inconvenientes que hay que analizar para comprender su reducido impacto en el mercado.

Uno de los problemas más destacados de la ReRAM es que sus márgenes de beneficios no son tan elevados como el de otras memorias que ya existen, ya que se trata de una tecnología aún por madurar. Además, existe cierta incertidumbre por parte de los fabricantes a la hora de usar memristores, ese componente casi «mágico» que prometía ser el sustituto del transistor convencional y que finalmente no ha podido serlo.

Por otro lado, los fabricantes tampoco se ponen de acuerdo en cómo se puede fabricar mejor el memsistor, si con óxido de tántalo, o con estructuras de Ag/a-Si-Si similar a las de la CBRAM, con perovskitas (PCMO), óxidos metálicos de transición como el NiO o el TiO2, e incluso calcogenuros de cambio de fase como el Ge2Db2Te5. Algunas de estas sustancias o materiales, recordemos, que son bastante caras en comparación con el abundante y barato silicio.

Conclusión acerca de la ReRAM

Pese a todos los avances y las ventajas de la RRAM, este tipo de memoria no tiene pensado sustituir a las unidades flash actuales, al menos a corto-medio plazo. Y, por supuesto, tampoco lo hará con la memoria RAM convencional. Así que, los actuales conceptos serán los que nos acompañen durante varios años más.

Ya que, a veces, no se trata solo de prestaciones. La industria analiza el mercado con lupa, y está especialmente enfocada a conseguir rentabilidad, la máxima posible. Y esto implica quedarse con tecnologías que ya existen para no tener que modificar todos los procesos de producción de forma demasiado evidente.

Por ese mismo motivo, en la industria de los semiconductores, se están buscando alternativas al silicio convencional, y muchas de las novedades pasan por materiales que consigan mejoras, pero que se puedan seguir fabricando usando los mismos procesos de fabricación que actualmente se usan. Y eso significa limitar la libertad de innovación en algunos casos.

Isaac Romero Torres

Más de una década trabajando en el ámbito de la investigación sobre arquitecturas y microarquitecturas de CPUs, de la electrónica, la lógica digital, de los sistemas operativos Unix (con los que trabajé como asesor para algunas empresas), programación de MCUs, PLCs, hacking, etc.
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