Las Memorias Flash

Las Memorias Flash
Las Memorias Flash
Almacenamiento y Recuperación
de Información
IS 215 01
Liliana Rojas Campos
ID 125412
Ruslán Ledesma Garza
ID 125362
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Las Memorias Flash
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Palabras Clave
Flash, Memoria flash, disquete, disco flexible, ROM, PROM, EPROM, EEPROM, Flash
NOR, Flash NAND, MOSFET, PCMCIA, BIOS, CompactFlash, ExpressCard, Memory
Stick, SmartMedia, iPod Nano, USB.
Introducción
La tecnología de almacenamiento ha ido avanzando conforme los años. Cada vez
se buscan maneras de almacenar la información con mayor rapidez y eficiencia, para
lograr un mejor manejo. Día con día la demanda de almacenamiento de información es
cada vez mayor debido a la cantidad de datos que se requiere guardar. La memoria flash
surge como una alternativa para almacenar datos de diferentes formatos que puede ser
utilizado por diferentes dispositivos, donde otros medios de almacenamiento persistente,
como los discos duros, no resolverían el problema correctamente.
Antecedentes
Discos Flexibles
A lo largo de la historia han existido diferentes dispositivos para el
almacenamiento de datos. Los discos floppies (discos flexibles) han sido parte de este
desarrollo de dispositivos.
A finales de los sesentas, IBM introdujo al mercado los discos flexibles de 8”.
Estos tenían un diámetro de 19.7 cm (7 ¾”), que se dividían en 48 pistas por pulgada.
(Uva Computer Museum, 2000) La capacidad de estos discos de 8” era de apenas 256KB
en uno sencillo, y de 0.5MB en uno de doble densidad. (Wikipedia, 2006)
En 1976, Shugar Associates introduce un nuevo tipo de disco flexible de 5¼” y le
llama “minifloppy”. En un principio los nuevos discos tenían la misma capacidad de
almacenamiento que los de 8”. Más adelante, el de formato de doble densidad tenía una
capacidad de 1.2 MB. Los “minifloppy” fueron los primeros en aparecer en las
computadoras personales de IBM. (Accurite Technologies, 2004)
Para 1980, Sony introduce un nuevo tipo de disco duro, mucho más pequeño que
sus predecesores, conocido como disco flexible de 3½”. Existieron también otros
formatos de disco flexible, como por ejemplo de 2, 2.5, 2.8, 3.0, 3.25 y 4 pulgadas, que
fueron sacados por la competencia. El de 3 ½” fue el formato estándar elegido y
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manufacturado por las compañías. La capacidad de este disco, en la actualidad es de
1.5MB. (Accurite Technologies, 2004)
ROM, PROM, EPROM
Los ROM (Read Only Memory) son un medio clásico de almacenamiento
persistente. Los ROM son circuitos integrados o chips que almacenan información, de
manera permanente, que solamente puede ser leída. No pueden ser modificados, excepto
por la escritura o programación inicial que se realiza al momento de su fabricación
(llamada mask programming). Para acceder a la información almacenada en un ROM, el
chip cuenta con líneas de entrada que permiten especificar una dirección de memoria y
líneas de salida que transmiten el contenido del área de memoria especificada (ver anexo
A). (Starostenko, 2005)
Cuando un ROM puede ser programado en un proceso posterior a su fabricación,
se le llama PROM (Programable ROM). En un PROM, cada circuito que representa un
bit cuenta con un fusible. Ya que un PROM nuevo cuenta con todos sus bits de datos en
estado de 1 lógico y cada fusible se encuentra intacto, la programación consiste en fundir
los fusibles de cada bit de memoria que sea necesario para generar valores 0. (Wikipedia,
2006)
Un paso más adelante se encuentran los EPROM (Erasable PROM), los cuales
son ROMs que pueden ser programados varias veces. Aunque su nombre indica que
pueden ser borrados para luego ser reescritos, esto no es un proceso trivial. (Starostenko,
2005) Al igual que los PROM, los EPROM limpios tienen todos sus bits establecidos a 1.
Para programarlos es necesario hacer pasar una corriente eléctrica de entre 10 y 13
voltios a través del circuito de cada bit que se quiere establecer a cero (circuito que recibe
el nombre de MOSFET, metal oxide semiconductor field-effect transistor). Dicha
corriente provoca un fenómeno de mecánica cuántica conocido como Fowler-Nordheim
Tunneling que modifica la organización de los electrones del floating gate del MOSFET
del bit deseado. Esto crea una barrera de electrones en el floating gate que impide que el
campo magnético generado por el flujo de una señal de selección a través del control gate
traspase una fina capa de oxido metálico e induzca en el floating gate una señal que se
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transmitiría luego a la línea de salida (bit line), resultando en un cero lógico para dicho
bit (ver anexo B). (How Stuff Works, 2006)
En caso de tener un MOSFET establecido a 1 no existe tal barrera de electrones,
entonces al momento de leer el bit almacenado una señal eléctrica fluye a través de la
control gate, generando un campo magnético que induce un flujo eléctrico en la floating
gate, resultando en la existencia de una señal eléctrica por la línea de salida (ver anexo C).
Luego, para borrar el contenido del EPROM es necesario aplicar energía
suficiente como para romper la barrera creada por los electrones durante el proceso de
escritura, lo cual se efectúa radiando el circuito con luz ultravioleta. Para este fin, los
chips EPROM poseen una ventana de cuarzo en su parte superior (ver anexo D).
(Wikipedia, 2006)
La falta de practicidad de todos los componentes expuestos los hacen inadecuados
para almacenar información persistentemente con miras a modificarla fácilmente. En
todos ellos es necesario personal y equipo especializado para programarlos.
Memoria Flash
La memoria flash ha estado presente desde mediados los años ochentas. Este tipo
de memoria fue inventado por el Dr. Fujio Masaka que trabajaba para Toshiba en 1984.
Shoji Ariizumi, un colega del Dr. Masaka, sugirió el nombre flash debido a que el
proceso de borrado le era semejante al flash de una cámara fotográfica. Debido a la
manera en la que trabaja la memoria flash y a su larga duración por lectura y escritura,
esta ha sido utilizada como dispositivo de almacenamiento para código de programas que
no requiere ser actualizado constantemente. (Wikipedia, 2006)
Descripción
Una memoria flash es descrita como “memoria de silicio que puede retener los
datos incluso cuando su fuente de poder es apagada” (Szymanski, 1995). Una memoria
flash es un tipo de EEPROM (Electrically-Erasable PROM). Como su nombre sugiere,
un EEPROM puede ser programado y luego borrado usando señales eléctricas. La
escritura y el mecanismo de persistencia son similares a los de un EPROM. La única
diferencia estriba en el grosor de la capa de óxido que separa a la floating gate de la
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control gate. Es gracias a que el grosor de la capa de óxido es menor en un EEPROM
(alrededor de un nanómetro, en contraste a los aproximadamente 3 nanómetros de una
EPROM) que la operación de borrado puede ser llevada a cabo con señales eléctricas de
manera similar a la operación de escritura. Sin embargo, los EEPROM cuentan con un
número limitado de ciclos de borrado-escritura, ya que la capa de óxido que separa a los
dos transistores se degrada paulatinamente. (Wikipedia, 2006)
El nombre memoria flash hace alusión a la característica que diferencia a estas
memorias de los demás EEPROM: mientras que en un EEPROM el mecanismo de
borrado-escritura (MOSFET’s) se especializa en la modificación de áreas de memoria al
nivel de palabras, en una memoria flash dicho mecanismo afecta a la memoria por
bloques. (TechTarget, 2006) Y como existen más mecanismos de borrado-escritura en un
EEPROM que en una memoria flash, un EEPROM común necesita más espacio físico
para almacenar cierta cantidad de datos que el que necesitaría su contraparte flash.
(Wikipedia, 2006)
Los métodos de escritura-borrado en las memorias flash son de dos tipos
(Wikipedia, 2006):
1. Memorias NOR:
a. Escritura: se hace pasar corriente por la floating gate a la vez que se
transmite un fuerte voltaje en la control gate, provocando la creación de
una barrera de electrones en la floating gate gracias al fuerte campo
magnético.
b. Borrado: se aplica un fuerte diferencial de potencial entre el control gate y
la tierra del floating gate, lo cual forza a la barrera de electrones a
degradarse y fluir hacia la tierra.
2. Memorias NAND:
a. Escritura: se realiza de la misma manera que como se describió la
escritura de un EPROM en la sección anterior.
b. Borrado: se aplica un campo eléctrico que degrada la barrera de electrones.
El principio del mecanismo de lectura de una memoria flash es el mismo que el
expuesto en la sección anterior para los EPROM.
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A diferencia de un disco duro, una memoria flash no es susceptible a las
vibraciones y podría ser utilizada en aplicaciones que se desarrollen en un ambiente hostil,
con rápidas aceleraciones o movimientos bruscos. Además, el tiempo de acceso que
ofrece una memoria flash es más rápido que el de un disco duro. (Wikipedia, 2006)
Una limitación de una memoria flash es que puede ser leída y programada por
palabra, pero debe ser borrada por bloque de memoria (existiendo bloques de 64, 128 y
256 KB). Así, una vez que una palabra es programada, no puede ser modificada hasta que
no se borre todo el bloque. En pocas palabras, las memorias flash ofrecen la posibilidad
de escritura/lectura aleatoria, pero borrado por bloques. Además, como ya se mencionó
antes, al igual que los demás EEPROM, las memorias flash cuentan con un número
limitado de operaciones de escritura-borrado. Con estas desventajas, las memorias flash
todavía no son una alternativa que pueda reemplazar a los discos duros en su campo de
acción como medios de almacenamiento persistente. (Wikipedia, 2006)
Ejemplos
PCMCIA
PCMCIA son las siglas para “Personal Computer Memory Card International
Association”, en español Asociación Internacional de Tarjeta de Memoria para
Computadoras Personales. Este tipo de tarjetas utilizan la tecnología Flash, y PCMCIA es
la asociación que establece los estándares para el desarrollo de este tipo de memorias,
conocido como ExpressCard. La asociación promociona la interoperabilidad de las
tarjetas en diferentes aparatos tecnológicos. (PCMCIA, 2006)
Chip del BIOS (Basic Input/Output System)
El chip BIOS es un chip presente en todas las computadoras, ya sea de escritorio o
laptops. Este es uno de los ejemplos más usuales de memoria flash. El software del BIOS
es el encargado de cargar el sistema operativo de una computadora, este es el que da las
instrucciones de ejecución. (How Stuff Works, 2006) Antes de los años noventas, el
BIOS se almacenaba en una memoria ROM, pero debido a que este tipo de memorias son
de solo lectura, se comenzaron a utilizar las memorias flash. (Wikipedia, 2006)
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CompactFlash
CompactFlash es una memoria que puede retener gran cantidad de datos sin
necesidad de utilizar una batería para poder almacenarlos indefinidamente. Estos
dispositivos de almacenamiento no contienen partes movibles, lo cual permite que haya
una mejor protección de los datos, a diferencia de los discos duros que pueden llegar a
dañarse fácilmente. Resisten hasta una caída de 3 metros de altura y puede operar con dos
diferentes voltajes, uno de 3.3 Volts y otro de 5V, así como almacenar datos por
alrededor de 100 años sin tener alguna perdida de estos. (CompactFlash Association,
2006)
SmartMedia
Las tarjetas SmartMedia utilizan memoria flash tipo NAND. Es la más pequeña,
delgada y barata que existe en el mercado. Debido a esto, permite que los productos que
la utilicen para almacenar datos puedan ser cada vez más pequeños y ligeros. Permiten
una lectura y escritura de los datos rápida debido a que lo realiza en pequeños avances.
Normalmente estas tarjetas se utilizan en aparatos como Beepers, PDA’s, cámaras
fotográficas y de video digitales, navegadores de GPS y Palm Pilots. (SSFDC, 2004)
Memory Stick
Este tipo de tarjetas está fabricado de silicio y permite el almacenamiento de
diferentes tipos de tarjetas en una sola memoria. Puede llegar a almacenar hasta 2GB de
información con una transferencia de datos de 20MB/s (en teoría) y leer a 15MB/s. Este
tipo de tarjetas se utiliza en su mayoría en cámaras de video y de fotografía digital,
computadoras, televisiones, impresoras, sistemas de audio y de navegación (GPS).
(Memory Stick, 2006)
iPod Nano
El iPod nano es la cuarta generación de iPod’s y a diferencia de generaciones
anteriores y posteriores, este utiliza una memoria flash. Tiene una capacidad de 2 a 4 GB
y se utiliza para almacenar diferentes formatos de música. Debido a que no tiene partes
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movibles, tiene una mayor resistencia al shock de movimiento, haciéndolo más durable.
(Wikipedia, 2006)
Memorias Flash USB
Las memorias flash USB son dispositivos de almacenamiento pequeños que
funcionan como discos duros portátiles. Combina dos tipos de tecnologías, la de memoria
flash y la de USB (Universal Serial BUS), lo cual permite portabilidad y uso en cualquier
computadora que soporte USB. Son del tamaño de una barra de chicle y pesan lo mismo
que una llave de automóvil. La transferencia de datos por USB alcanza hasta 12Mb/s en
la versión 1.0 y 480 Mb/s en la versión 2.0. Actualmente existen memorias de hasta 2GB
de capacidad. Pueden almacenar cualquier tipo de datos y tiene una durabilidad de 10
años, tiempo en el que se cambiaría de disco duro hasta 3 veces. (USB Flash Drive
Alliance, 2003)
Conclusiones
Las memorias flash, por un lado, resuelven la necesidad de almacenaje de
información persistente en aplicaciones que requieren resistencia a vibraciones, la
ocupación de poco espacio físico y portabilidad. Son el puente que ha unido la tecnología
digital con el mundo móvil.
Por otra parte, ellas son la alternativa de elección en la fabricación de circuitos
que requieren programación de bajo nivel y la opción de modificar esta programación en
etapas posteriores a la distribución del producto.
Actualmente, las memorias flash se van alejando poco a poco de sus limitaciones
iniciales, sobre todo en el aspecto de la capacidad. También se ha visto un incremento en
la cantidad de dispositivos que hacen uso de ellas y una disminución de precio de dichos
dispositivos. Con estas características, las memorias flash cada vez ganan más y más
popularidad, al grado de ponerse al nivel e incluso desplazar a otros medios portátiles de
almacenamiento persistente. Las memorias flash son la solución portátil de
almacenamiento persistente elegida por fabricantes y usuarios por igual.
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Referencias
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Flexible]. Obtenido 23 de enero de 2006 de http://www.accurite.com/
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[Información acerca de CompactFlash]. Obtenido 23 de enero de 2006 de
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23 de enero de 2006 de http://computer.howstuffworks.com/bios2.htm
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Szymanski, R.A., Szymanski, D.P. & Pulschen, D.M. (1995). Flash Memory. En
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Wikipedia. (2006). ROM. Obtenido 23 de enero de 2006 de
http://en.wikipedia.org/wiki/Read-only_memory
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Anexo A
Dirección: 10010
5 in
ROM
4 out
25 x 4
Contenido: 1011
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Anexo B
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Anexo C
13
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Anexo D
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