DRAM

DRAM (Dynamic Random Access Memory) es un tipo de memoria dinámica de acceso aleatorio que se usa principalmente en los módulos de memoria RAM y en otros dispositivos, como memoria principal del sistema. Se denomina dinámica, ya que para mantener almacenado un dato, se requiere revisar el mismo y recargarlo, cada cierto período, en un ciclo de refresco. Su principal ventaja es la posibilidad de construir memorias con una gran densidad de posiciones y que todavía funcionen a una velocidad alta: en la actualidad se fabrican integrados con millones de posiciones y velocidades de acceso medidos en millones de bit por segundo. Es una memoria volátil, es decir cuando no hay alimentación eléctrica, la memoria no guarda la información. Inventada a finales de los sesenta, es una de las memorias más usadas en la actualidad.

Historia

Integrado de silicio de 64 Bites (usado en el IBM S-360, modelo 95) sobre un sector de memoria de núcleo (finales de los 60).

La memoria dinámica , fue desarrollada en los laboratorios de IBM pasando por un proceso evolutivo que la llevó de usar 6 transistores a sólo un condensador y un transistor, como la memoria DRAM que conocemos hoy. La invención de esta última la hizo Robert Dennard^[1] quien obtuvo una patente norteamericana en 1968^[2] por una memoria fabricada con un solo transistor de efecto de campo y un condensador.

Los esfuerzos de IBM estaban encaminados a mejorar sus equipos de cómputo como por ejemplo la línea System 360: el modelo 25 en 1968 ya incluía un ScratchPad (una especie de Caché) en forma de integrados 5 veces más rápidos que la memoria principal basada en núcleos de ferrita.^[3] Dado el modelo de negocios de IBM que consistía en vender o arrendar computadores,^[4] un negocio rentable, para IBM el uso de DRAM se reducía a ser el complemento de la memoria principal basada en núcleos magnéticos. No hubo interés en comercializar ese tipo de memorias para otros fabricantes ni tampoco se pensó en usar las tecnologías de estado sólido tipo SRAM o DRAM para construir la memoria principal. La empresa Intel fue creada para aprovechar esa oportunidad de negocios: Gordon Moore, observaba que hace tiempo la industria de los semiconductores se había estancado, a pesar de existir potenciales usos de los integrados de silicio como la fabricación de memorias SRAM y DRAM.^[5]

Celda de memoria para la i1103.

Aunque Intel se inició con memorias SRAM como la i1101 y la i3101, el primer producto rentable fue el integrado de memoria DRAM i1103 de 1024 bits. El i1103 lanzado en 1970 estaba formado por celdas de memoria con 3 transistores tipo PMOS y un condensador,^[6] estaba organizado en un arreglo de 32 filas y 32 columnas, empacado en un encapsulado de 18 pines y con un costo de 1 centavo por bit era un fuerte competidor para las memorias de núcleo. La producción y calidad del integrado era difícil de mantener, hecho que se demostró cuando Intel entregó parte de la producción a otra empresa llamada Microelectronics Integrated Limited (MIL) que en un principio pudo obtener mejores resultados que la misma Intel, pero después del cambio importante en el proceso de fabricación no fue capaz de producir.^[5]

La memoria i1103 era muy primitiva en comparación a las memorias DRAM de la actualidad, aun así se comportaba mejor que la memoria de núcleo y con un precio menor. A finales de 1971 se había convertido en el producto dominante para la fabricación de memoria principal y era usado por 14 entre 18 de los principales fabricantes de computadores,^[7] ganando el mote "core killer".^[8]

Reinvención de la memoria DRAM

Para 1973 Intel y otros fabricantes construían y empacaban sus integrados de memoria DRAM empleando un esquema en el que se aumentaba un pin por cada vez que se doblaba la capacidad. De acuerdo a este esquema, un integrado de 64 kilobits tendría 16 pines solo para las direcciones. Dentro de los costos más importantes para el fabricante y el ensamblador de circuitos impresos estaba la cantidad de pines del empaque y en un mercado tan competido era crucial tener los menores precios. Debido a eso, un integrado con una capacidad de 16 pines y 4Kb de capacidad fue un producto apreciado por los usuarios, que encontraban a los integrados de 22 pines, ofrecidos por Intel y Texas Instruments como insumos costosos.

El lanzamiento de la memoria MK4096 de 4K, con un solo transistor por celda y con direccionamiento multiplexado resultó del trabajo de Robert Proebsting quien observo que en las celdas con un solo transistor, era imposible acceder la información en una posición, enviando al mismo tiempo los datos de fila y columna a la matriz: había que enviar las señales una después de la otra. La solución a nivel de la celda conducía a un ahorro en el empaque, ya que la dirección podría recibirse en dos etapas, reduciendo la cantidad de pines usados.^[9] Por ejemplo para un integrado de 64 Kb se pasaba de 16 pines dedicados a solo 8 y dos más para señales de control extra. La multiplexación en tiempo es un esquema de direccionamiento que trae muchas ventajas, a costa de unos pocos cambios en el circuito externo, de manera que se convirtió en un estándar de la industria que todavía se mantiene. Mucha de la terminología usada en la hoja de datos del MK4096 todavía se usa y muchos de los parámetros de temporización como el retardo RAS a CAS fueron instaurados con ese producto, entre otros aspectos.^[10]

Funcionamiento

La celda de memoria es la unidad básica de cualquier memoria, capaz de almacenar un Bit en los sistemas digitales. La construcción de la celda define el funcionamiento de la misma, en el caso de la DRAM moderna, consiste en un transistor de efecto de campo y un condensador. El principio de funcionamiento básico, es sencillo: una carga se almacena en el condensador significando un 1 y sin carga un 0. El transistor funciona como un interruptor que conecta y desconecta al condensador. Este mecanismo puede implementarse con dispositivos discretos y de hecho muchas memorias anteriores a la época de los semiconductores, se basaban en arreglos de celdas transistor-condensador.

Las celdas en cualquier sistema de memoria, se organizan en la forma de matrices de dos dimensiones, a las cuales se accede por medio de las filas y las columnas. En la DRAM estas estructuras contienen millones de celdas y se fabrican sobre la superficie de la pastilla de silicio formando áreas que son visibles a simple vista. En el ejemplo tenemos un arreglo de 4x4 celdas, en el cual las líneas horizontales conectadas a las compuertas de los transistores son las llamadas filas y las líneas verticales conectadas a los canales de los FET son las columnas.

Para acceder a una posición de memoria se necesita una dirección de 4 bits, pero en las DRAM las direcciones están multiplexadas en tiempo, es decir se envían por mitades. Las entradas marcadas como a0 y a1 son el bus de direcciones y por el mismo entra la dirección de la fila y después la de la columna. Las direcciones se diferencian por medio de señales de sincronización llamadas RAS (del inglés Row Address Strobe) y CAS (Column Address Strobe) que indican la entrada de cada parte de la dirección.

Los pasos principales para una lectura son:

• Las columnas son precargadas a un voltaje igual a la mitad del voltaje de 1 lógico. Esto es posible ya que las líneas se comportan como grandes condensadores, dada su longitud tienen un valor más alto que la de los condensadores en las celdas.
• Una fila es energizada por medio del decodificador de filas que recibe la dirección y la señal de RAS. Esto hace que los transistores conectados a una fila conduzcan y permitiendo la conexión electrica entre las líneas de columna y una fila de condensadores. El efecto es el mismo que se produce al conectar dos condensadores, uno cargado y otro de carga desconocida: se produce un balance de que deja a los dos con un voltaje muy similar, compartiendo las cargas. El resultado final depende del valor de carga en el condensador de la celda conectada a cada columna. El cambio es pequeño, ya que la línea de columna es un condensador más grande que el de la celda.
• El cambio es medido y amplificado por una sección que contiene circuitos de realimentación positiva: si el valor a medir es menor que el la mitad del voltaje de 1 lógico, la salida será un 0, si es mayor, la salida se regenera a un 1. Funciona como un redondeo.
• La lectura se realiza en todas las posiciones de una fila de manera que al llegar la segunda parte de la dirección, se decide cual es la celda deseada. Esto sucede con la señal CAS. El dato es entregado al bus de datos por medio de la lineo D.O. y las celdas involucradas en el proceso son reescritas, ya que la lectura de la DRAM es destructiva.

La escritura en una posición de memoria tiene un proceso similar al de arriba, pero en lugar de leer el valor, la línea de columna es llevada a un valor indicado por la línea D.I. y el condensador es cargado o descargado. El flujo del dato es mostrado con una línea gruesa en el gráfico.

Véase también

• A-RAM

FMP DRAM

Enlaces externos

• Video de R. Dennard inventor de la DRAM
• Blout, Elkan (1996). The Power of Boldness: Ten Master Builders of American Industry Tell Their Success Stories. Joseph Henry Press. ISBN 0309054451. http://books.google.com/books?id=4K9X7lhfrrgC&pg=PA89&dq=intel+3101+dram&as_brr=3#PPA82,M1. 
• «Museo de las memorias DRAM». Consultado el 7 de febrero de 2009.

• «Historia de los integrados Intel i1102 y del i1103». Consultado el 7 de febrero de 2009.

Referencias

1. ↑ http://www.research.ibm.com/journal/rd/391/adler.html%7Chistoria de investigaciones de IBM (en ingles)
2. ↑ http://www.freepatentsonline.com/3387286.pdf%7CPatente # 3'387.286 para la memoria DRAM
3. ↑ http://www-03.ibm.com/ibm/history/exhibits/mainframe/mainframe_PP2025.html%7C Descripción del equipo System 360 modelo 25 de IBM
4. ↑ «IBM Archives: System/370 Model 195».
5. ↑ ^{a b} The Power of Boldness: "Ten Master Builders of American Industry Tell Their Success Stories" página 82
6. ↑ «DRAM - A Personal View».
7. ↑ «Museum».
8. ↑ «EETimes.com».
9. ↑ http://archive.computerhistory.org/resources/text/Oral_History/Proebsting_Robert/102658285.05.01.pdf
10. ↑ «Datasheet Archive - MK4096-16 datasheet - MK4096-16 application note - MK4096-16 pdf».