Condensadores: culpables de que la RAM vaya 10 años por detrás de la CPU

Se habla largo y tendido de la brecha entre el rendimiento de la CPU y la memoria RAM, un motivo por el que se ha vuelto tan importante la memoria caché, y algo que se lleva intentando de cerrar desde hace décadas. Pero ¿cuál es el culpable de esta diferencia entre la rapidez de unos y otros chips? Aquí te hablamos del culpable: los condensadores.

Arquitectura de una célula DRAM

Una célula de memoria DRAM (Dynamic Random-Access Memory) es un tipo de circuito para almacenar bits de información con mayor rapidez que un medio de almacenamiento secundario, es volátil, pero más barata que otras memorias.

Cada una de estas celdas representa un bit de información y se organizada arrays o matrices de filas y columnas, lo que permite que los datos se almacenen y accedan de manera eficiente. Para que cada una de estas células pueda funcionar, se compone de:

• Transistor MOSFET: actúa como un interruptor que controla el flujo de corriente y el acceso al condensador de almacenamiento. El transistor tiene tres terminales, la puerta que está controlada por la línea de palabra (Word Line o WL), que determina si el transistor está apagado o encendido, mientras que el drenador y la fuente van conectados uno a la línea de bit (Bit Line o BL) y otro al condensador.
• Condensador: es el componente responsable de almacenar el bit de información, lo cual hace al acumular, o no, carga eléctrica. Debido a que la capacidad del condensador es limitada y tiende a perder carga con el tiempo, los datos almacenados son volátiles y deben refrescarse periódicamente.

Con esta arquitectura, hay que decir que la DRAM funciona de esta forma:

• Fase de escritura: la línea de palabra se activa, lo que permite encender el transistor de acceso a esa célula que almacena un bit. Luego se configura el voltaje específico de la línea de bit para almacenar un bit si el voltaje es alto, o un cero si el voltaje es bajo. De esta forma, el voltaje de la línea de bit se transfiere al condensador.
• Fase de lectura: en este caso, la célula DRAM activa nuevamente la línea de palabra, conectando el condensador a la línea de bit a través del transistor. Dependiendo de la carga del condensador, bajo o alta, dará un voltaje alto o bajo, es decir, un 1 o un 0. Sin embargo, esta lectura destruye el valor almacenado, ya que la carga del condensador almacenada se vacía, por lo que el bit se pierde. Por tanto, cada vez que se accede, se debe reescribir inmediatamente después para que siga estando disponible para accesos posteriores.
• Fase de refresco: el controlador de memoria también tiene una línea de refresco que va a cada celda de DRAM. Debido a la naturaleza de los condensadores, la carga almacenada tiende a perderse con el tiempo debido a las fugas, lo cual es una característica inherente del material dieléctrico entre las placas del condensador. Para evitar la pérdida de datos, la célula DRAM necesita ser refrescada periódicamente. Para poder hacerlo, el controlador de memoria accede a cada célula en un intervalo regular para restaurar la carga del condensador. Esto se hace cada ciertos milisegundos, asegurando así los datos mientras hay energía eléctrica. Sin embargo, la reescritura tras cada acceso y el refresco suponen un consumo mayor que otros tipos de memoria…

Evidentemente, cuando la DRAM se queda sin suministro eléctrico, a diferencia de las memorias no volátiles, se borra completamente. No retiene los datos. Algo que también depende de estos condensadores. Pese a todos los problemas generados por el condensador, es fundamental en el diseño de una célula DRAM porque permite un almacenamiento simple y compacto de un bit mediante la carga o descarga de un solo nodo eléctrico.

¿Es posible una DRAM solo con transistores?

No, el condensador es crítico para su funcionamiento, ya que la DRAM se basa en celdas 1T+1C. Al tener solo un transistor y solo un condensador, son compactas, permitiendo almacenar bastante información por unidad de superficie, es decir, su densidad es mayor que otras memorias que necesitan más componentes electrónicos.

Si se compara con la memoria flash, basada en transistores, las células DRAM son más grandes, aunque también más rápidas. Sin embargo, la memoria flash es más barata y puede tener mayores densidades, por ello se emplean en medios como los SSD, tarjetas de memoria SD, etc. Para la memoria principal se necesita una capacidad no tan elevada, pero más rápida, y ahí es donde cumple su función esta DRAM.

En caso de querer una memoria aún más rápida que la RAM, se tendría que crear solo con transistores tipo FET, y eso ya existe, se llama SRAM. La SRAM o Static RAM es la que se emplea en otras memorias más rápidas como la memoria caché o los registros. Estas memorias basadas en biestables o flip-flops son mucho más rápidas porque solo se componen de transistores, concretamente tenemos celdas con 4T o con 6T, es decir, con cuatro y séis transistores respectivamente.

¿Qué quiere decir esto? Pues que las celdas 4T o 6T son más caras de fabricar, además de ocupar más superficie en el chip. Esto hace que las capacidades de SRAM no sean tan altas como las de la DRAM. Sin embargo, consiguen reducir el consumo y aumentar la velocidad. Todo no se puede tener…

Los problemas derivados del condensador

Concluyendo, podemos culpar de la brecha entre la velocidad del procesador (solo fabricado con transistores) y la DRAM (con transistores y condensadores) es precisamente lo que diferencia a ambos chips: el condensador.

Estas células de memoria DRAM, con su condensador, hacen que el tiempo de acceso sea superior a las memorias transistorizadas. Es decir, existe una mayor latencia por sus características. Además de eso, la lectura destructiva y el proceso de refresco también agregan tiempo adicional a los accesos de datos, lo que limita a la DRAM frente a la SRAM.

Es por eso que las DRAMs están unos 10 años por detrás en velocidad a las unidades de procesamiento. Pero seguirán así mientras no se pueda crear una memoria con costes y capacidades similares a la DRAM, pero más rápida. Así que, mientras tanto, la memoria caché de la CPU será la que deba aliviar estos retrasos.