NOR Flash: ¿Qué es y como funcionan estas memorias?

La memoria NOR Flash es un tipo de almacenamiento no volátil diseñado para ofrecer acceso aleatorio rápido y alta fiabilidad en entornos embebidos. Su arquitectura basada en celdas direccionables individualmente la convierte en una opción ideal para firmware, BIOS y sistemas que requieren lectura directa del chip. Aunque la NAND Flash se ha impuesto, ésta aún sigue siendo una opción para muchos dispositivos, y te mostramos por qué…

¿Qué es una memoria NOR Flash?

La memoria NOR Flash es un tipo de memoria no volátil de estado sólido, es decir, basada en tecnología de semiconductores y que permite el almacenamiento de datos sin necesidad de energía continua para retener la información.

Fue desarrollada originalmente por Intel en la década de 1980, y se basa en celdas de memoria de tipo MOSFET con una puerta flotante (floating gate) con trampas de carga (charge trap) para almacenar bits de datos mediante la modulación de umbrales de voltaje. Explicado en palabras simples, lo que se hace es atrapar una carga que se mantiene permanentemente mientras no sea modificada (escrita), y así es como se almacena un bit (0 o 1).

A nivel estructural, una celda NOR Flash típica consiste en un transistor NMOS (MOSFET con canal N) con una puerta flotante aislada por óxido dieléctrico, en vez de una puerta convencional como el resto de MOSFETs para conmutación. El estado lógico se determina por la presencia o ausencia de electrones en la puerta flotante:

• Un umbral alto (Vt alto) representa un ‘0’ (programado), mientras que un umbral bajo (Vt bajo) representa un ‘1’ (borrado).
• Las celdas se conectan en paralelo a las líneas de bit (bitlines), permitiendo un acceso aleatorio rápido similar a una memoria RAM estática (SRAM).

A diferncia de otras memorias no volátiles, como la EEPROM o MRAM, la NOR Flash destaca por su capacidad de lectura rápida y ejecución in-place (XIP, eXecute-In-Place), lo que la hace ideal para código ejecutable directamente desde la memoria sin necesidad de copiarlo a RAM. Como te mostraré en el último apartado, por eso se sigue usando mucho en microcontroladores y otros embebidos…

Funcionamiento de la NOR Flash

El funcionamiento de la NOR Flash se basa en tres operaciones elementales, que son:

• Lectura (read): durante el acceso para lectura se aplica un voltaje medio, de entre 1 y 3v a la puerta de control y se mide la corriente que sale por el drenador. Si la celda está borrada (Vt bajo), la corriente fluye y si está programada (Vt alto) no fluye corriente. Esto será enviado por las líneas bitline y wordline para su lectura, con tiempos de accesos muy rápidos, de menos de 50 ns.
• Escritura (write): la escritura o programación de una celda se basa en inyección de electrones en la puerta flotante para elevar el voltaje Vt. Se suele usar un alto voltaje al drenador de entre 5 y 12v y a la puerta de entre 9 y 12v a la vez, lo que permite acelerar los electrones del canal que saltan la barrera de óxido y se inyectan en la puerta flotante para quedar atrapados. Este proceso desgasta el óxido de puerta, por lo que tiene un límite de unos 10⁵ ciclos. Por eso, las memorias flash tienen una vida limitada…
• Borrado (erase): es el proceso que elimina los electrones de la puerta flotante mediante un fenómeno conocido como FN tunneling. En este caso, se aplica un voltaje negativo alto a la puerta, de unos -9v y uno positivo a la fuente de unos 5v. Eso genera un campo eléctrico que permite generar un túnel cuántico para que los electrones salgan de tu trampa de la puerta flotante…

No obstante, existen algunas variantes avanzadas que emplean otras formas de funcionar, como MirrorBit o CTF (Charge-trap flash) para almacenar varios bits a la vez y acelerar la escritura…

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Aplicaciones de la NOR Flash

A pesar del dominio de NAND en almacenamiento masivo, tanto en los chips de memoria interna de dispositivos móviles, como en tarjetas de memoria SD, pasando por pendrivers y unidades SSD, la memoria NOR Flash mantiene relevancia en ciertos sectores, como el IoT, la automoción, robótica, y microcontroladores en general.

• Sistemas embebidos y microcontroladores: almacenamiento de firmware en MCU, donde SPI NOR permite boot rápido. En otros también pueden almacenar código para su ejecución, por ejemplo, se me ocurre ahora las placas como Arduino, que incluyen una flash donde se programa desde Arduino IDE para que la placa ejecute las instrucciones que has programado.
• Automoción y aeroespacial: en ECUs (Electronic Control Units) para vehículos, la NOR ofrece alta fiabilidad en entornos hostiles (temperaturas -40°C a 125°C, retención >20 años). Cumple estándares como AEC-Q100.
• Dispositivos de red y telecomunicaciones: routers y switches usan NOR para su firmware y configuración inicial, aprovechando su capacidad para actualizaciones frecuentes.
• IA y edge computing: también se está empleando en aplicaciones como el edge, e incluso en centros de datos para algunos equipos para IA.

Actualmente, los principales fabricantes de chips de NOR flash son Macronix, Winbond, GigaDevice, Infineon/Cypress, y Micron Technologies. Además, las capacidades actuales van desde la gama baja de unos Kb o Mb, hasta la gama más alta con capacidades de hasta 4Gb para GPUs, aplicaciones industriales o aeroespaciales.

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