Cómo seleccionar los chips de memoria adecuados para su diseño

La cantidad de chips de memoria en el mercado puede ser abrumadora. Al intentar seleccionar el tipo de chip más apropiado, el usuario debe aclarar el uso que pretende darle y sus requisitos específicos. Durante el proceso de selección, también es importante comprender el significado y las implicaciones de las distintas especificaciones del producto.

A continuación, se indican los parámetros comunes que utilizan los diseñadores y desarrolladores:

  • Las interfaces de hardware son las numerosas interfaces de un chip de memoria, necesarias para permitir el acceso y la recuperación de datos a alta velocidad sin comprometer las capacidades de la memoria. Un chip de memoria interactúa con gráficos, unidades del disco duro y buses de serie universales (USB).
  • La tasa de transferencia de datos es la rapidez con la que se obtiene la instrucción de la memoria del programa, se convierte en señales para la CPU y se ejecuta.
  • El ancho de banda o la frecuencia del reloj o el tiempo de acceso, se refiere a la cantidad de datos que un chip de memoria puede mover, leer, almacenar o procesar dentro de un marco de tiempo determinado. Se puede expresar en bits, bytes o hercios por segundo (b/s, B/s o ciclos/s).
  • El tamaño de la memoria se refiere a la capacidad de almacenamiento de datos.
  • El ancho de banda de la memoria es la velocidad a la que un procesador puede leer o almacenar datos en un dispositivo semiconductor. 
  • Los tiempos de memoria determinan la velocidad general de funcionamiento del sistema del procesador.
  • La retención de datos indica el tiempo que estos se pueden mantener en el chip.
  • La eficiencia energética de un chip es menor si este necesita alimentación continua de una fuente de energía.
  • La escritura/reescritura o solo lectura indica si el chip de memoria escribe/reescribe con frecuencia. La memoria de solo lectura suele almacenar un programa ejecutable que, únicamente, será de lectura.
  • La tolerancia de temperatura es el rango de temperatura dentro del cual el chip de memoria puede funcionar de forma confiable; un rango de temperatura más amplio indica mayor capacidad de un chip para funcionar en entornos difíciles.

Usaremos los parámetros anteriores para comparar las cuatro categorías de chips de memoria más comunes en el mercado: la memoria dinámica de acceso aleatorio (DRAM), la RAM estática (SRAM), la ROM programable y borrable eléctricamente (EEPROM) y la memoria flash.

La RAM dinámica y la estática se utilizan en la memoria primaria, RAM, y EEPROM y la flash se utilizan en la memoria secundaria o ROM. Si bien la memoria primaria y secundaria son necesarias, difieren en múltiples aspectos. Por lo general, la memoria secundaria hace referencia a un almacenamiento externo, como un disco duro. Con el avance de la tecnología de memoria, muchas memorias secundarias ahora incluyen aquellas de estado sólido.

 

Memoria primaria

Memoria secundaria

 

Memoria dinámica de acceso aleatorio (DRAM)

Memoria estática de acceso aleatorio (SRAM)

Memoria flash

ROM programable y borrable eléctricamente (EEPROM)

Interfaz de hardware

Enlazado a la CPU

Enlazado a la CPU

No

No

Tasa de transferencia de datos (frecuencia de reloj, acceso a datos)

Rápida

Rápida

Lenta

Lenta

Ancho de banda

Rápido

Rápido

Lento

Lento

Tamaño de la memoria

Limitado

Limitado

Amplio

Amplio

Retención de datos

Temporal

Temporal

Permanente

Permanente

Eficiencia energética

De manera constante, requiere energía

De manera constante, requiere energía

Más eficiente

Más eficiente

Escritura/solo lectura

Muchas escrituras y reescrituras

Muchas escrituras y reescrituras

Principalmente, son solo de lectura

Principalmente, son solo de lectura

Se necesita actualización

No

No

No

Tolerancia de temperatura

Aplicaciones comerciales e industriales

Aplicaciones comerciales e industriales

Aplicaciones comerciales e industriales

Aplicaciones comerciales e industriales

Memoria primaria: DRAM frente a SRAM

La memoria primaria o RAM, está enlazada a la unidad de procesamiento central (CPU). Como resultado, la memoria primaria permite un acceso más rápido a los datos. Sin embargo, la memoria primaria tiene un tamaño de limitado, mientras que la memoria secundaria se utiliza para el almacenamiento a largo plazo de grandes cantidades de datos. La memoria primaria es volátil, temporal y requiere un suministro de energía continuo para mantenerse almacenada. Cuando el sistema se apague, el contenido de la memoria se perderá. Por último, la memoria primaria puede escribirse y reescribirse varias veces.

Tanto la DRAM y la SRAM se usan en la memoria primaria. La DRAM tiene una estructura de celda más simple que la SRAM. La DRAM requiere una celda de memoria, mientras que la SRAM requiere múltiples celdas. Como resultado, la DRAM es mucho más barata, mientras proporciona el mismo nivel de densidad de memoria. Además, la DRAM puede lograr una alta densidad de memoria dentro de factores de forma pequeños, lo que permite su prevalencia en computadoras personales y estaciones de trabajo.

Sin embargo, la DRAM tiene importantes desventajas. Debido a que la carga eléctrica responsable del almacenamiento de datos en las celdas de DRAM se filtra lentamente, estas se deben actualizar o reescribir de forma periódica. El proceso de actualización es dinámico, de ahí el término ”DRAM”. Sus demandas de actualización y fuentes de energía continuas hacen de DRAM una opción de gran consumo de energía o baja eficiencia. Los requisitos de actualización de la DRAM también disminuyen su velocidad operacional.

Por otro lado, como la SRAM no necesita actualizarse, puede soportar ciclos de lectura y escritura más rápidos y confiables que la DRAM. Además, el tiempo del ciclo de SRAM es mucho más corto, ya que no necesita una pausa entre los accesos a los datos. Con más celdas de memoria por chip, los chips SRAM son más caros y requieren más energía que los DRAM. Como resultado, la SRAM se utiliza normalmente para la memoria caché y de video, mientras que la DRAM sirve como la principal tecnología de memoria de semiconductores.

Además, de una mayor velocidad operacional, el SRAM tiene una mayor eficiencia operativa que la DRAM. La DRAM funciona de forma asíncrona, que reacciona a las peticiones y las gestiona una a una. Por otra parte, el SRAM se sincroniza con el reloj del procesador y es capaz de funcionar de forma más compleja y a velocidades superiores.

Por último, hay chips DRAM y SRAM que son robustos y con el rango de temperatura adecuado para soportar aplicaciones industriales y militares.

Memoria secundaria: EEPROM frente a la memoria flash

A diferencia de la memoria primaria, la secundaria o ROM, no está enlazado a la CPU. Como resultado, la memoria secundaria tiene un acceso más lento a los datos. Debido a que la memoria secundaria es no volátil y permanente, no pierde sus datos durante un corte de energía o debido a golpes o vibraciones. Es más, la memoria secundaria tiene un almacenamiento de datos significativamente mayor y, a diferencia de la memoria primaria, que puede escribirse y reescribirse de manera repetida, esta es principalmente solo de lectura y se modifica con poca frecuencia.

La EEPROM es un tipo de ROM que puede borrarse y reprogramarse de forma repetida mediante impulsos eléctricos a una tensión específica. Un chip EEPROM se borra y se reprograma en bytes. Como resultado, la reprogramación de la EEPROM puede ser lenta. Además, la EEPROM tiene una programabilidad limitada, lo que reduce su vida útil.

 

La EEPROM no se utiliza mucho porque carece de retención de datos y de confiabilidad en la resistencia de estos. La EEPROM tiene un período de retención de datos limitado, debido a que los electrones inyectados en la puerta flotante pueden casi no tener sentido, lo que provoca la pérdida de datos. La reescritura se hace imposible para la EEPROM más allá de un cierto número de ciclos, lo que limita la resistencia de los datos.

Por consiguiente, las EEPROM se utilizan, principalmente, en la creación de prototipos de dispositivos rápidos, lo que requiere una fácil reprogramación y una falta de volatilidad. Los fabricantes de computadoras personales suelen utilizar EEPROM para reprogramar la memoria de solo lectura. Además, debido a que los chips EEPROM no requieren energía para mantener sus datos, de forma habitual, se usan para almacenar información del sistema básico de entrada/salida (BIOS) y software básico para módems, tarjetas de video y otros periféricos.

A lo largo de los años, la memoria flash, una versión más eficiente de la EEPROM, la reemplazó en muchas áreas. A diferencia de la EEPROM, que lee y escribe en bytes, la memoria flash borra y escribe datos en bloques de tamaño fijo, esta característica de la memoria flash mejora el rendimiento de la misma en comparación con la EEPROM. Mientras que algunos chips de memoria flash son más lentos porque no se pueden escribir hasta que se borren, algunos chips más nuevos de este tipo tienen la función ”lectura mientras se escribe” (RWW) que permite la lectura y escritura de manera simultánea.

 

No AND (NAND) y No OR (NOR) son los dos tipos básicos de memoria flash. Se accede a la memoria flash de tipo NAND de la misma manera que a los dispositivos de bloques, como los discos duros. Particionada con un sistema de archivos y usada como un área de almacenamiento de acceso aleatorio, NAND necesita, por lo tanto, una unidad de administración de memoria. Por otro lado, la memoria flash de tipo NOR se puede leer por medio de celdas de memoria individuales como puede hacerlo una ROM tradicional. Además, para extender el número limitado de ciclos de escritura (vida útil) de una unidad flash, se desarrolló la nivelación del desgaste para reducir el impacto en las celdas o áreas muy utilizadas.

 

En general, los chips flash son más portátiles que los chips EEPROM. Sin embargo, los chips flash son demasiado costosos por cada byte para utilizarse como dispositivos de almacenamiento masivo. En la actualidad, la memoria flash se utiliza en el almacenamiento portátil de fotografías digitales con dispositivos como tarjetas de datos seguras de cámaras digitales, memorias flash USB, teléfonos móviles, localizadores y escáneres. Los chips de memoria flash también se utilizan como discos de estado sólido en computadoras portátiles y tarjetas de memoria para consolas de videojuegos. 

Conclusión

Una computadora necesita una memoria primaria y una secundaria. Los dos tipos de memoria tienen varias características de interfaz de hardware, tasa de transferencia de datos, tamaño de la memoria, retención de datos, eficiencia energética y escritura/lectura. Al seleccionar los chips de memoria, busque los parámetros adecuados para su diseño. La mayoría de los distribuidores proporcionan criterios de búsqueda de memorias para la conveniencia de los desarrolladores.

La memoria primaria utiliza chips DRAM y SRAM. Las diferencias más significativas entre ellas incluyen la necesidad de la DRAM de actualizarse de forma periódica y su menor costo, así como, la mayor velocidad de la SRAM. Usados en la memoria secundaria, los chips EEPROM y flash difieren notablemente en cómo borran y escriben, así como en el mayor costo de los chips flash.

Hay muchas otras memorias específicas disponibles. Pero DRAM, SRAM, flash y EEPROM son lejos, los chips de memoria más populares en cuanto a diseño.

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