Parte 2 - ¿Cómo funciona la memoria flash?
El corazón de cualquier tarjeta SD es el chip de memoria flash. Por lo tanto, para entender por qué la calidad de las tarjetas SD no es siempre la misma, tenemos que saber cómo se fabrica la memoria flash y cómo funciona.
Este post forma parte de una miniserie de tres partes sobre las tarjetas SD con información en profundidad.
- Parte 1 - Cómo clasificar las tarjetas SD y elegir la tarjeta adecuada para una aplicación
- Parte 2 - Cómo funciona la memoria flash
- Parte 3 - ¿Qué son las calificaciones de las tarjetas y por qué son importantes?
Contenido
- Por qué se utiliza el silicio para crear memorias flash
- Producción de obleas de silicio
- Producción de matrices
- Estructura de la memoria flash
- Lectura y escritura de datos
Si necesita una visión general o un recordatorio rápido sobre el tema, este gráfico informativo debería servirle.
Por qué se utiliza el silicio para crear memorias flash
La memoria flash y otros microchips están hechos de silicio porque es un semiconductor. Eso significa que sólo conduce la electricidad en determinadas condiciones. Además, el silicio es el segundo elemento más abundante en la corteza terrestre.
La semiconductividad del silicio permite a los fabricantes controlar completamente las propiedades eléctricas de los materiales basados en el silicio añadiendo pequeñas cantidades de impurezas. Se trata principalmente de boro, fósforo, arsénico y antimonio.
Producción de obleas de silicio
El primer paso en la producción de la memoria flash es crear un lingote de silicio. Existen varios métodos para obtener un lingote cilíndrico. Veamos el método Czochralski, comúnmente utilizado.
Método Czochralski
El químico polaco Jan Czochralski inventó un método para producir lingotes de silicio monocristalino de gran pureza.
El silicio se funde en un crisol. A continuación, se introduce un cristal semilla en la masa fundida. Se tira lentamente hacia arriba, mientras el crisol y el cristal giran en direcciones opuestas. Así se obtiene un lingote cilíndrico de silicio muy homogéneo, que también se denomina boule.
Rebanar
Una sierra de obleas corta el boule en obleas, que son discos muy finos (de unos 100-500 μm de grosor). Las obleas se pulen física y químicamente para eliminar cualquier defecto e impureza hasta una escala atómica.
Producción de matrices
Por supuesto, las obleas aún no poseen superpoderes. Primero tienen que convertirse en troqueles. Un troquel no es más que un trozo de silicio que contiene un circuito integrado.
El proceso más utilizado para imprimir el circuito integrado en la oblea es fotolitografía.
Este proceso es sencillo de entender, pero muy difícil de realizar con una calidad constante, debido a la escala increíblemente pequeña de los circuitos integrados.
Fotolitografía
Echa un vistazo al siguiente gráfico, que muestra la configuración de la fotolitografía.
La oblea se limpia de nuevo después del envío para eliminar cualquier contaminante procedente del embalaje. A continuación, se imprimen con una capa microscópicamente fina y perfectamente uniforme de silicio y fotorresistencia. Una abertura compuesta por una fuente de luz y lentes proyecta la fotomáscara sobre la oblea. La mayoría de las empresas utilizan luz UV de alta energía. Después de algunos pasos adicionales, el patrón de la fotomáscara se transfiere a la capa de silicio situada en la parte superior de la oblea.
Después, hay que limpiar la primera capa para poder empezar con la siguiente. La máquina de fotolitografía repite estos pasos para cada capa hasta terminar la estructura 3D específica de la memoria flash.
En esta fase, la oblea parece un disco con muchas celdas en la parte superior. Estas celdas, en su mayoría cuadradas, son los troqueles individuales, que en este caso son unidades individuales de memoria flash.
Antes de seguir procesando las obleas, es necesario determinar la calidad de cada troquel. El resultado es el llamado mapa de obleas que indica el grado de cada troquel en la oblea. Debido a la naturaleza del proceso de producción, hay una tendencia a que los troqueles del centro tengan un mejor rendimiento que los del borde.
Las matrices que alcanzan el nivel de calidad requerido se recortan de la oblea y se incorporan a los dispositivos de memoria flash.
Ahora ya sabes cómo se produce la memoria flash. Por supuesto, es casi imposible obtener resultados perfectamente consistentes cada vez debido a la enorme cantidad de parámetros que influyen en la producción.
Todo, desde los materiales hasta las máquinas, tiene que ser de una calidad perfecta para maximizar la cantidad de troqueles funcionales en cada oblea.
Estructura de la memoria flash
Una sola célula de memoria flash puede almacenar 1 bit. La célula consta de una fuente y un drenaje, así como de una puerta flotante y una puerta de control, todo ello sobre el sustrato de silicio.
Hay capas de óxido entre la puerta de control, la puerta flotante y el sustrato de silicio. Impiden que los electrones se muevan libremente, pero los electrones pueden hacer un túnel a través de estas capas en determinadas circunstancias.
Lectura y escritura de datos
Las operaciones de escritura y lectura se controlan aplicando tensiones a la célula de memoria flash.
Leer
Para leer el Bit almacenado, la fuente se lleva a tierra o a 0V y se aplican unos 3V al drenaje y a la puerta de control. Esto obliga a los electrones a moverse horizontalmente desde la fuente al drenaje si la puerta flotante está vacía. El flujo de corriente se interpreta como un 1 lógico.
Sin embargo, si los electrones quedan atrapados en la puerta flotante, impiden el flujo de corriente de la fuente al drenaje, lo que se interpreta como un 0 lógico.
Escribir
Para escribir un 0 lógico en la célula de memoria flash, los electrones deben quedar atrapados en la puerta flotante. Esto se consigue aplicando 0V a la fuente, alrededor de 7V al drenaje y un voltaje aún mayor, de alrededor de 10V, a la puerta de control.
Los electrones se ven obligados a desplazarse horizontalmente desde la fuente hasta el drenaje, pero algunos harán un túnel hacia la puerta flotante debido a la mayor tensión. Una vez que se eliminan las tensiones, estos electrones quedan atrapados entre las dos capas de óxido hasta 10 años. Pero, con el tiempo, saldrán de la puerta flotante y los datos se perderán. Por lo tanto, hay que hacer copias de seguridad periódicas de los archivos importantes que residen en las unidades flash.
Para eliminar los electrones de la puerta flotante y escribir un 1 lógico, la puerta de control se lleva a tierra o a 0V y la fuente, el sustrato de silicio y el drenaje se ponen a unos 10V. De esta manera los electrones son forzados a salir de la puerta flotante.
Por supuesto, cada celda de memoria flash tiene un número limitado de operaciones de lectura y escritura hasta que se desgasta. De ahí que la mayoría de los sistemas modernos traten de distribuir los datos de forma que ninguna célula se utilice más a menudo que otras, para garantizar la máxima vida útil de la memoria flash.
Conclusión:
Ahora que ya eres un experto en memorias flash, no te pierdas la tercera entrega de esta serie: ¿Qué son las calificaciones de las tarjetas y por qué son importantes?
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