La memoria flash todavía tiene muy buena salud. Los dispositivos móviles inteligentes del mercado de consumo, tales como tablets y smartphones, están impulsando fuertemente el mercado de las memorias flash y de los semiconductores en general, previéndose que los tablets alcancen una cuota mayor en los próximos años. Según  algunos estudios, el mercado de flash NAND, el tipo más común de memoria flash, tendrá una tasa de crecimiento anual compuesto del 7% entre 2011 y 2015.

En términos de tecnología, los fabricantes están moviendo los límites, aumentando las densidades de la memoria en tecnologías de procesos de 25 nm e incluso menos. Los principales fabricantes de memoria flash NAND están comenzando la producción de memorias de 64 Gbit en tecnologías que van de 20 a 30 nm y, cada vez más, utilizan arquitecturas de memoria y estructuras innovadoras para satisfacer las demandas de alta densidad. Un artículo reciente de SanDisk y Toshiba, presentado en la ISSCC (International Solid State Circuits Conference) a principios de este año, dio detalles de un dispositivo flash NAND de 128 Gbit en una tecnología de 19 nm de 3 bit por celda.

Las posibilidades de sustitución
Mientras flash continúa escalando a corto y medio plazo, sigue habiendo una demanda continuada de posibles sustitutos a largo plazo tanto en aplicaciones independientes como embebidas. La competencia incluye hasta 30 tecnologías diferentes de memoria no volátil que están siendo examinadas por empresas de  semiconductores, instituciones de investigación y universidades. Algunas de estas tecnologías ya han llegado incluso a venderse en volúmenes relativamente pequeños. Cuatro de las principales tecnologías que ofrecen varias ventajas con respecto a flash,  como tiempos de lectura/escritura 100 veces más rápidos y una resistencia significativamente mayor en el ciclo de escritura, son: Memoria de Cambio de Fase (PRAM); RAM Ferroeléctrica (FRAM); RAM Magnetoresistiva (MRAM); y RAM Resistiva (RRAM).

PRAM o PCM
La memoria PRAM aprovecha el comportamiento del vidrio calcogenuro, que permite la conmutación entre cuatro estados diferentes: cristalino, amorfo y dos estados parcialmente cristalinos. La conmutación es posible gracias al calor producido: cuando una corriente eléctrica pasa a través del vidrio, el estado del material cambia. Ya que la memoria PRAM puede producir hasta cuatro estados, permite doblar la capacidad de almacenamiento, proporcionando dos bits por celda. Los distintos estados tienen una resistividad eléctrica muy diferente, de modo que, por ejemplo, el estado amorfo de alta resistencia puede representar un “0” y el estado cristalino de baja resistencia un “1”.

La principal desventaja de la memoria PRAM es su sensibilidad a las altas temperaturas. También se degrada con el uso, pero mucho menos rápido que la memoria flash, cuya capacidad aproximada ronda los 5.000 ciclos de escritura, mientras que la PRAM puede proporcionar unos 100 millones de ciclos. La memoria PRAM puede ofrecer un alto rendimiento, especialmente en aquellas aplicaciones que requieren muchos ciclos de escritura, ya que proporciona unos tiempos de conmutación rápidos: un solo bit cambia sin necesidad de borrar los bloques primero y actualmente es capaz de escalar a 40 nm.
Micron Technologies y Samsung están compitiendo actualmente para poner a la venta la primera pieza de 1 Gbit PCM. Samsung emplea actualmente una memoria NOR-Flash compatible con la memoria PRAM de 512 Mbits en teléfonos móviles.

FRAM o FeRAM
La construcción de la memoria FRAM es similar a la de la memoria DRAM. DRAM consiste en un transistor de acceso dieléctrico y un nodo de almacenamiento basado en condensador, mientras que la memoria FRAM utiliza un material ferroeléctrico como el PZT para formar un condensador ferroeléctrico, que está integrado en el cuerpo de la puerta de acceso del transistor.

La estructura cristalina del material ferroeléctrico permite la formación de dipolos eléctricos semipermanentes, que se alinean con la dirección de un campo eléctrico externo aplicado y retienen esa polarización cuando se retira el campo. Esto permite el acceso aleatorio a cada bit individual, tanto para operaciones de lectura como de escritura, almacenándose los “0” y “1” binarios en las dos polarizaciones posibles para cada celda.
La memoria FRAM consume menos energía, tiene un ciclo de escritura más rápido y es capaz de llevar a cabo muchos más ciclos de escritura-borrado que la memoria fl ash. Las desventajas incluyen una menor densidad de almacenamiento, una capacidad de almacenamiento con limitaciones y unos costes más elevados.

Fujitsu ha anunciado que están diseñando dispositivos con memoria FRAM para reemplazar a la memoria flash y SRAM en aplicaciones industriales, de fabricación y de bajo consumo, mientras que Texas Instruments está comenzando lentamente a ofrecer microcontroladores basados en FRAM.

MRAM
La memoria MRAM utiliza elementos magnéticos de almacenamiento formados a partir de dos placas ferromagnéticas, cada una de ellas capaz de mantener un campo magnético,

separadas por una fina capa aislante. La estructura de celda más simple es la configuración de válvula de espín. Una de las placas es un imán permanente de polaridad fija y la otra tiene un campo que se puede cambiar para que coincida con un campo exterior. Los bits se almacenan representando los “1” mediante dos placas de la misma polaridad y los “0” mediante placas de polaridad opuesta. Una rejilla de estas celdas forma un dispositivo de memoria. La tecnología promete la sustitución potencial no solo de Flash, sino también de las memorias DRAM y SRAM. MRAM, sin embargo, es sensible a la interferencia por la aplicación de torsión a largo plazo provocada por campos magnéticos externos de corriente continua. Everspin, una derivación de Freescale Semiconductor, espera vender MRAM en volúmenes millonarios en 2012, aunque ya está examinando una tecnología MRAM de segunda generación denominada SST-MRAM. Esta tecnología sustituye la capa aislante por una capa de barrera de túnel y usa electrones polarizados. La principal ventaja es la reducción de la corriente necesaria para la escritura, haciendo así que el proceso sea comparable al proceso de lectura y posibilitando una mayor densidad. Sin embargo, la coherencia del giro debe mantenerse y el funcionamiento a altas velocidades sigue requiriendo el uso de una corriente más elevada. En la actualidad, se espera que la tecnología se use en dispositivos por debajo de los 65 nm, aunque se están investigando nuevas estructuras compuestas.

RRAM o ReRAM
RRAM se basa en la conmutación electrónica (inducida por corriente o tensión) de un material de resistencia entre dos estados resistivos estables (alto/bajo). Esto se logra mediante la conducción repentina a través de aisladores de óxido. La memoria RRAM cambia entre los dos estados de resistencia mediante dos operaciones: RESET restaura un estado de alta resistencia a partir de un estado de resistencia baja; y SET produce la transición opuesta. La memoria RRAM es escalable por debajo de 30 nm y un estudio de RRAM a base de óxido ha llegado a sugerir que el movimiento de oxígeno puede tener lugar incluso al nivel de 2 nm. El instituto de investigación IMEC predice que los dispositivos RRAM con una estructura apilada podrían aparecer en el mercado a 11 nm, con la memoria flash “SONOS” como paso intermedio en los nodos de 17 nm y 14 nm. La memoria RRAM ofrece una conmutación por debajo del nanosegundo con un consumo mínimo de energía y proporciona estabilidad de datos, aguantando altas temperaturas y el desgaste que generan los ciclos. Esta robustez ofrece nuevas oportunidades en los mercados de la automoción y en aplicaciones embebidas.

Elpida, por ejemplo, ya ha desarrollado prototipos RRAM con el objetivo de entrar en volúmenes de producción durante 2013, con dispositivos que ofrecen capacidades de gigabit y sobre la base de un proceso de 30 nm. Y todavía no se ve el final...

Sin embargo, ninguna de estas cuatro tecnologías ha logrado producirse en grandes volúmenes, pues en la actualidad se limitan a nichos de mercado. La memoria fl ash también es probable que se escale aún más, al menos durante algunas generaciones más, por lo que podría pasar algún tiempo antes de que podamos decir “el rey ha muerto, larga vida al rey”.

Autor:

Por Mark Cundle, RS Components

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