Los aparatos digitales utilizan dos tipos de memo-
ria: las de acceso rápido, que intercambian datos con el procesador, y las de almacenamiento masivo, más lentas.
En la actualidad no existen memorias universales,
rápidas y con capacidad para almacenar un gran volumen de datos. Tampoco se espera que lleguen en un futuro cercano.
A partir de efectos físicos muy diferentes, los in-
vestigadores trabajan en el desarrollo de nuevos dispositivos más veloces, fiables y que consuman menos energía.
el desarrollo de los soportes de memo- ria digitales. Durante los últimos vein- te años, sus mejoras han estimulado la producción masiva de datos. Guardarlos resultaba cada vez más sencillo y menos costoso, por lo que hasta ahora no ha sido necesario limitar el volumen de datos que deseamos almacenar.
¿MEMORIAS UNIVERSALES?
Pero ¿podrán las memorias actuales asu- mir el ritmo al que crece la producción de datos? Varios indicios sugieren que no. Los ingenieros sueñan desde hace tiempo con las memorias «universales»: disposi- tivos de acceso muy rápido y capaces de guardar enormes cantidades de datos con fiabilidad y bajo consumo energético. Hoy por hoy, sin embargo, tales sistemas se an- tojan más hipotéticos que reales.
En lugar de basarse en un solo tipo de memoria, los sistemas digitales mo- dernos conjugan dos clases de dispositi- vos: memorias de trabajo, que guardan pequeñas cantidades de datos y ofrecen tiempos de acceso muy breves, y memo- rias de almacenamiento, que registran enormes volúmenes de información a costa de un tiempo de acceso mayor. Una combinación adecuada de ambos tipos de memoria permite construir sistemas que ejecutan operaciones con gran rapidez y que, al mismo tiempo, pueden almacenar ingentes cantidades de datos.
En lo que respecta a la fabricación de memorias universales, no parece que la naturaleza sepa hacerlo mucho mejor que nosotros. Existen numerosas semejanzas entre los sistemas de memoria biológicos y los artificiales. Diversos modelos teóri- cos sobre el funcionamiento del cerebro suponen que la memoria humana depen- dería también de varios subsistemas espe- cializados. Según un modelo clásico de los años sesenta, la memoria sensorial se en- carga de retener durante un breve instan- te la información procedente de los sen- tidos, aunque sin interpretarla. Parte de ella se transmite después a la memoria a corto plazo, de capacidad limitada, don- de queda disponible durante varias dece- nas de segundos (entre otras actividades, dicha memoria nos permite recordar el principio de una frase a medida que va- mos leyendo). Por último, la memoria a largo plazo conserva cantidades conside- rables de información durante períodos muy prolongados.
Dicha estructura sería fruto de la evo- lución, ya que un tratamiento rápido de la información sensorial permite hacer fren- te a depredadores y otros peligros. Aun-
que desde los años sesenta este modelo se haya visto enriquecido con la adición de varias subcategorías, la conclusión princi- pal sigue siendo la misma: no solo el cere- bro humano no opera como una memoria universal, sino que la combinación de va- rios tipos de memoria especializados pa- rece constituir una ventaja.
De igual modo, el diseño de dispositi- vos artificiales también se basa en asociar memorias de diferentes clases. Si bien en varias ocasiones se han presentado hipo- téticos mecanismos universales, los estu- dios posteriores han acabado echando por tierra tales aspiraciones.
Hoy los fabricantes se concentran en mejorar las características de los mode- los ya existentes, como su vida útil o su fiabilidad. Una de las cualidades más relevantes la hallamos en el tiempo de acceso; esto es, el tiempo que un disposi- tivo necesita para leer y escribir los datos. Según el tipo de sistema del que se trate, los tiempos de acceso actuales van del nanosegundo al milisegundo.
El procesador de una computadora ne- cesita disponer con suma rapidez de las instrucciones y datos pertinentes para eje-
cutar una tarea. Por tanto, debe poder ac- ceder a memorias de trabajo que ofrezcan un tiempo de acceso muy breve. No obs- tante, tales memorias resultan caras y no pueden guardar grandes cantidades de in- formación, por lo que deben apoyarse en memorias de almacenamiento. Ambos sis- temas resultan complementarios y coexis- ten en todos los aparatos digitales, ya se trate de ordenadores, tabletas, teléfonos móviles o lápices de memoria.
JERARQUÍA PIRAMIDAL
Las diferentes memorias digitales per- miten definir una jerarquía piramidal. En la cima se sitúan las memorias de trabajo, con tiempos de acceso muy bre- ves y escasa capacidad para registrar da- tos; al descender, aumenta el volumen de información que puede guardarse en detrimento del tiempo de acceso. Los dis- positivos de almacenamiento ocupan la base de la pirámide.
Las memorias de trabajo y las de al- macenamiento se diferencian en su ca- pacidad para conservar la información en ausencia de un suministro estable de energía eléctrica. Las primeras reciben el
fu eN Te : « TH e w O rl d ’S T eC H N O lO gI Ca l Ca pa CI Ty TO S TO re , C O m m u N IC aT e a N d CO m pu Te IN fO rm aT IO N », pO r m . H Il be rT y p. ló pe z e N S ci en ce , v O l. 3 32 , 2 01 1/ po ur l a Sc ie n ce
Luca Perniola dirige el grupo de técnicas de memoria avanzadas del Laboratorio Electrónico y de Tecnología de la Información (LETI) del Comisariado de la Energía Atómica y Energías Alternativas de Grenoble.
27 6,12 EB 18 ,86 EB Discos duros 44,5 % 2,62 EB 1993 Digital 2000 2007 0,02 EB
Capacidad de almacenamiento de datos en todo el mundo
1 exaocteto (EB) = mil millones de gigaoctetos
DVD/Blu-ray 22,8 % Cintas magnéticas 11,8 % Servidores 8,9 % CD 6,8 % Otros 5,2 % Cintas de vídeo 93,8 % Papel, casetes de audio, fotos, vinilos 6,2 % 1986 Analógico
La CaPaCIDaD PaRa aLMaCENaR DaToS DIgITaLES en todo el mundo ha experimentado un crecimiento espectacular durante los últimos lustros. El desarrollo de memorias baratas y fáciles de usar marcó un punto de inflexión a principios de este siglo. Los soportes digitales han ido ganando terreno a los analógicos, al tiempo que el volumen total de datos crece sin pausa; una tendencia sin visos de debilitarse.
L O S L A E R A D E L O S M A C R O D A T O S I N F O R M E E S P E C I A L I N F O R M E E S P E C I A L L A E R A D E L O S M A C R O D A T O S I N F O R M E E S P E C I A L L A E R A D E L O S M A C R O D A T O S I N F O R M E E S P E C I A L L D A E E R A M T A O C S R O D A
Sa lv O O Tr a IN d IC aC Ió N , T O d aS l aS Il u ST ra CI O N eS S O N d e in ve St ig ac ió n y c ie n ci a
nombre de «volátiles», ya que, si se supri- me la corriente, los datos desaparecen en pocas decenas de milisegundos. Las me- morias de almacenamiento, en cambio, permiten guardar la información aun en ausencia de suministro eléctrico. Gracias a ello, podemos conservar los datos en el disco duro de un ordenador o en un lápiz de memoria USB.
Entre los dispositivos más próximos al procesador —en la cima de la pirámide— podemos distinguir memorias de trabajo de dos tipos: las memorias estáticas de acceso aleatorio (SRAM, por sus siglas en inglés) y las dinámicas (DRAM). Las primeras están construidas directamente sobre el chip de silicio del microprocesa- dor, ya que, al igual que este, también se componen de transistores. Aunque gozan de tiempos de acceso de pocos nanose- gundos, su capacidad de almacenamiento resulta muy escasa.
En el segundo nivel encontramos las memorias dinámicas de acceso aleatorio. Estas cuentan con una mayor capacidad para guardar datos, un tiempo de acceso comprendido entre 10 y 100 nanosegun- dos y, por lo general, se hallan en un mi- crochip independiente. Suelen emplearse
para las operaciones de cálculo de los microprocesadores.
En una memoria dinámica, cada bit queda registrado en un sistema compues- to por un transistor y un condensador, componentes que vienen grabados en el sustrato de silicio del chip de memoria. El transistor actúa como un interruptor que, en caso de estar abierto, autoriza que el bit sea leído por una corriente eléctrica. Desde un punto de vista físico, el bit se corresponde con la carga eléctrica del con- densador: si este se encuentra cargado, el bit toma el valor 1; en caso contrario, vale 0.
El problema de los condensadores re- side en su tendencia a descargarse, ya que los electrones se difunden con facilidad por el entorno de silicio. Ello hace que las memorias dinámicas sean volátiles, lo que obliga a reescribir cada bit a intervalos de tiempo regulares de pocas decenas de milisegundos. Como consecuencia, la su- presión de la corriente eléctrica provoca la pérdida de los datos.
En las primeras memorias dinámicas de los años sesenta, transistores y conden- sadores estaban pegados. La miniaturiza- ción redujo el tamaño de los componentes
y llevó a cambiar su posición relativa. Hoy los condensadores se sitúan encima de los transistores; además, presentan una for- ma cilíndrica y muy alargada que reduce el consumo eléctrico. Con una longitud hasta 50 veces mayor que la de la base y una densidad de condensadores muy elevada, los diseñadores se enfrentan al problema de las fugas y al reto de fabricar cavidades cada vez más delgadas. Parece difícil seguir aumentando la capacidad de almacenamiento de estos dispositivos (4 gigaoctetos), que bien podrían haber llegado ya a su límite de la miniaturi- zación. En la actualidad, los ingenieros se esfuerzan sobre todo en aumentar la densidad de información y en reducir su consumo energético mediante la supre- sión de la volatilidad.
Más abajo en la pirámide encontra- remos las memorias flash. Aunque son no volátiles, no pueden reemplazar a las dinámicas. Sus tiempos de acceso as- cienden a una decena de microsegundos, dos órdenes de magnitud por encima del que ofrecen aquellas. Los valores de un bit almacenado en una memoria flash se corresponden con el estado, abierto o cerrado, de un transistor. Un pequeño
m e m o r i a s d e t r a b a j o