Memoria flash

La memoria flash conserva los datos al cortar la alimentación. Se programa eléctricamente y se borra por grupos de celdas.

Qué es

La flash es una memoria electrónica no volátil: la información permanece cuando se desconecta la alimentación. Pertenece a la familia de memorias eléctricamente borrables, EEPROM. La EEPROM convencional permite modificar unidades pequeñas por separado. La flash reduce el espacio ocupado por cada celda organizando el borrado de grupos completos. Leer, programar y borrar son operaciones distintas y tienen efectos diferentes sobre la información almacenada.

La celda es el elemento que retiene la información. Un chip reúne muchas celdas y circuitos de selección y lectura. Una tarjeta de memoria, una memoria USB o un SSD añaden una interfaz y circuitos de control. El comportamiento de un archivo depende del sistema completo.

Cómo funciona

La puerta flotante retiene carga sin conexión conductora con el exterior.

En una celda plana de puerta flotante, una región conductora queda rodeada de aislante entre el canal de silicio y la puerta de control. La programación puede inyectar en la puerta flotante electrones acelerados en el canal. El borrado puede extraerlos por efecto túnel a través de una fina capa de óxido bajo un campo eléctrico intenso. La carga retenida modifica la tensión necesaria para que el transistor conduzca. Al leer, el circuito aplica condiciones controladas y distingue los estados según la corriente obtenida. Ninguna pieza mecánica se mueve durante estas operaciones.

NOR y NAND describen las conexiones entre celdas. En NOR forman ramas paralelas hacia una línea de bits. Esta organización permite leer direcciones individuales y, con una memoria adecuada, ejecutar código directamente. En NAND, las celdas se conectan en cadenas en serie. El acceso por páginas y una disposición más densa favorecen el almacenamiento de datos. Los nombres proceden de puertas lógicas, pero la matriz incorpora funciones de selección, almacenamiento y lectura.

Las celdas multinivel distinguen más estados de carga para codificar varios bits. La programación y el borrado someten los aislantes a esfuerzos, de modo que la retención y la resistencia a los ciclos son limitadas. Los controladores pueden corregir errores y repartir las escrituras. Conservar información sin corriente no garantiza un archivo perpetuo; los límites dependen del componente y de sus condiciones de uso.

Cómo hacerlo

La fabricación utiliza procesos del circuito integrado: patrones sobre silicio, capas aislantes y conductoras, conexiones, pruebas y encapsulado. En una variante de fabricación NMOS plana, el cuerpo de silicio se dopa con boro y las regiones de fuente y drenador con fósforo. Los procesos industriales emplean productos reactivos y equipos especializados. Mantenga los chips cerrados, sin decaparlos ni calentarlos. La siguiente actividad se realiza únicamente sobre papel.

Todas las casillas del modelo pertenecen al mismo bloque de borrado.

Dibuje un bloque con dos palabras de cuatro bits, inicialmente 1111 y 1111. En este modelo binario, programar solo permite cambiar un 1 por un 0; borrar devuelve todo el bloque a 1. Escriba 1010 en la primera palabra y 0011 en la segunda.

Intente cambiar la primera palabra por 1110. Habría que devolver un 0 a 1, algo que la programación por sí sola no permite. Copie las dos palabras en una hoja de trabajo, modifique la primera, borre las ocho casillas juntas y vuelva a escribir 1110 y 0011. La copia permite conservar la segunda palabra. Sin ella, el borrado la destruiría.

Historia y evolución

Las memorias basadas en carga almacenada preceden a la flash. Kahng y Sze publicaron sus trabajos sobre la puerta flotante en 1967. Intel comercializó la EPROM de Frohman en 1971: se programaba eléctricamente y se borraba con luz ultravioleta. Las EEPROM aportaron después el borrado eléctrico con una selección más precisa de las celdas. En 1979, Horiuchi y Katto describieron FCAT, otro dispositivo de puerta flotante que podía programarse y borrarse eléctricamente.

En 1980, Kupec y sus colaboradores describieron una EEPROM con tres capas de polisilicio y un transistor por bit. La solicitud de patente de Masuoka e Iizuka sobre una celda con puerta de borrado reivindica prioridades japonesas del 20 de diciembre de 1980; se presentó en Estados Unidos en 1981 y dio lugar a la patente US4531203 en 1985. Harari incluyó después la celda de Kupec entre los antecedentes de la flash y describió la de Masuoka e Iizuka como una mejora.

Masuoka y su equipo de Toshiba buscaron una celda más compacta. En el IEDM de 1984 presentó su celda NOR flash. La investigación y su presentación precedieron a la fabricación comercial a gran escala. Otros equipos, entre ellos los de Intel, desarrollaron estructuras NOR industrializables.

Toshiba anunció NAND en 1987. Según el testimonio de Masuoka publicado por el IEEE, los ensayos de aquel año verificaron la programación, la lectura y el borrado; el prototipo NAND de 4 Mbit se desarrolló en 1988 y se presentó en el ISSCC de 1989. Kioxia, sucesora de esa actividad de memorias, fecha en 1991 la comercialización de una NAND de 4 Mbit. Las tarjetas y los SSD formaron después sistemas completos alrededor de las celdas. Las celdas multinivel y las estructuras tridimensionales prolongaron esta evolución.