En esta nueva página del blog mencionaremos algunos de los tipos de almacenamiento de datos relacionado a la nanotecnología, la cual tomaremos referencia de algunos conceptos del trabajo publicado por Alegandro Tomás Grosso, entre ellos se encuentra SONOS, Efecto de Cuerpo Flotante, T-RAM, Memristor, Nanotubos, Memorias magnéticas y espintronica, entre otros.
Nanotubos de Carbono: También hay desarrollos de memorias que se vinculan con los nanotubos de carbono. Un nanotubo es una estructuras tubular cuyo diámetro es del orden del nanómetro y aunque si bien pueden estar compuestos de diversos materiales, al hablarse de nanotubos se refiere principalmente a aquellos compuestos por carbono. Los desarrollos actualmente son:
SONOS: Cuyo signifcado es Silicon-Oxide-Nitride-Oxide-Silicon, más precisamente "silicio policristalino" - "dióxido de silicio" - "nitruro de silicio" - "dióxido de siicon" - "silicio", es un tipo de memoria no volátil muy similar a las memorias FLASH (tecnología detrás de los pendrives, memorias SD y discos rígidos SSD), distinguiéndose de ésta por el uso de nitrato de silicio (SI3N4) en vez de polisilicio como material usado en la puerta flotante del transistor MOSFET en el que se basa el funcionamiento de la memoria. El polisilicio posee la desventaja de presentar pequeñas irregularidades en su superficie, necesitando entre 9 a 12 pasos en su fabricación, por lo que es un reto, además de costoso fabricar por debajo de los 55nm; en cambio el nitrato de silicio al poseer una superficie completamente plana, su fabricación en mucho más sencilla y por ende más barata, pudiendo llegar a fabricaciones por debajo de los 55nm fácilmente. Además, las memorias SONOS requieren entre 5 y 8 V, contra los 9 a 20 V de FLASH, aguantando hasta 100000000 ciclos de escritura antes de presentar errores, 1000 a 10000 veces más que las FLASH. Sin embargo el límite teórico de esta tecnología se encuentra entre los 7nm, por lo que sería una mejora momentánea.
Dibujo transversal de una célula de memoria SONOS
Nanotubos de Carbono: También hay desarrollos de memorias que se vinculan con los nanotubos de carbono. Un nanotubo es una estructuras tubular cuyo diámetro es del orden del nanómetro y aunque si bien pueden estar compuestos de diversos materiales, al hablarse de nanotubos se refiere principalmente a aquellos compuestos por carbono. Los desarrollos actualmente son:
• N-RAM: La Nanotube RAM es una memoria de carácter no volátil, desarrollada por la empresa Nantero y entre sus características se encuentran:
· Gran densidad.
· Velocidades de escritura por el orden de los 20 nanosegundos.
· Duración de más de 1000 años a 30°C y más de 10 años a 300°C.
· Resistencia a interferencias.
· Bajo consumo de energía.
· Posibilidad de fabricación 3D (varias capas de celdas)
Cada celda de memoria, denominada CNT, se compone de 2 electrodos conformados cada uno de ellos por nanotubos de carbono. Estos electrodos están separados uno de otro por unos pocos nanómetros restringiendo el paso de la corriente, formando un 0 (OFF), o estar adherido uno con otro permitiendo el paso de la corriente, formando un 1 (ON).
• CNT-MRAM: La memoria Carbon Nanotube Magnetoresistive RAM es un nuevo tipo de memoria no volátil magnetorresistiva (M-RAM) propuesto por el doctor Pramanik de la Universidad de Alberta, Canadá. Esta memoria funciona en base al fenómeno de magnetorresistencia que presentan los nanotubos de carbono, este fenómeno consiste en la propiedad de algunos materiales de variar su resistencia al ser sometidos a un campo magnético; según la resistencia que presente el nanotubo se considera un 0 o un 1. Sus ventajas son: mucha durabilidad (al no poseer partes mecánicas), bajo consumo, almacenamiento de 1Terabyte/centímetro² y bajo coste de fabricación.
T-RAM: Son un tipo de memoria volátil desarrollada por © T-RAM Semiconductor Inc, que consiste en celdas de memorias compuestas por 1 solo tiristor basado en el efecto de resistencia diferencial negativa, también llamado efecto Gunn, que es un fenómeno que presentan ciertos materiales semiconductores que al aplicarles voltaje y llegar a un cierto umbral, la corriente en vez de aumentar disminuye, al contrario del funcionamiento de una resistencia normal; el tiristor PNPN recibe el nombre de TCCT™ (Thin CapacitivelyCoupled Thyristor). Gracias al efecto de resistencia negativa mencionado anteriormente, este nano-tiristor presenta un amplio margen de escritura, lo que reduce errores, aumenta las velocidades (1000 veces mayores que un tiristor convencional) y permite escalar su proceso de fabricación por debajo de los 22nm (las SRAM presentan una limitación por debajo de los 45nm), llegando a velocidades más rápidas que las SRAM y a densidades similares a las DRAM, además de presentar lectura no destructiva (la celda no pierde su contenido al leerse, como ocurre en DRAMs convencionales) y necesidad de energía solo en los procesos de lectura/escritura, pudiendo quedar en estado de stand by con bajos consumos energéticos. Como corolario, es compatible con las tecnologías de fabricación SOI y BULK, por lo que no representaría una gran inversión para la empresa.
Memristores: Los memristores pueden usarse en memorias, tomando como valor 1 a una resistencia elevada y como 0 a una baja resistencia, sin embargo al ser un componente analógico pueden almacenarse muchos valores en un solo memristor, aumentando claramente la densidad. Además, pueden funcionar como las neuronas, lo que daría un cambio en la concepción de la computación, ya que podrían asemejarse al funcionamiento de un cerebro orgánico, los cuales no poseen unidades de almacenamiento y proceso separadas como en la electrónica digital, además de darle a los robots capacidad de aprendizaje. Entre las memorias que se sirven de memristores están:
• RRAM: La Resistive RAM es una memoria que está siendo desarrollada por HP en conjunto con Hynix con velocidades menores a 10 ns, durabilidad de más de 1 millón de años y bajo consumo energético, su salida está planeada para fines de 2013.
• PRAM: La Phase-change RAM o también llamada memoria ovónica es una memoria no volátil que consiste en celdas de memoria compuestas de un vidrio cálcogeno similar al usado en los CD-ROM, capaz de cambiar de un estado cristalino de baja resistencia (1), a un estado amorfo de mayor resistencia (0) mediante la aplicación de corriente; podría considerarse como un semi-memristor debido a que solo posee 2 estados de variación de su resistencia.
• PMC: Signifca Celda Metalizada Programable y es una memoria de carácter no volátil, formada por dos electrodos que son un ánodo y un cátodo de plata unidos a un electrolito de cristal calcógeno. Al aplicarse algunos mV de corriente, la plata se oxida en el ánodo y se reduce en el cátodo formando un cordón conductor entre ambos, que disminuye la resistencia, esto forma el 1; o el 0 al aplicarse una corriente opuesta que deshace dicho cordón.
Efecto de Cuerpo Fotante: El efecto de cuerpo flotante (floating body effect) es un efecto producido en la tecnología SOI (Silicon On Insulator). La tecnología SOI sustituye la fabricación de obleas de silicio mono-cristalino, por el uso de una capa de aislante entre dos capas de semiconductores adoptando una forma de sándwich, esto trae la ventaja de reducir las capacidades parásitas y gracias a ello pueden alcanzarse mayores frecuencias de trabajo y menores tamaños de fabricación en transistores. Pero junto a esto ocurre un pequeño efecto capacitivo, el llamado efecto de cuerpo flotante, que mientras para las memorias RAM convencionales puede causar una pérdida de datos, las TT-RAM (Twin Transistor RAM) y Z-RAM (Zero capacitor RAM) transforman esa desventaja en el pilar básico de su funcionamiento, ya que prescinden del capacitor usado en el tradicional modelo transistor-capacitor de las DRAM en pos de un transistor que puede almacenar energía mediante este efecto mencionado, pudiendo así cumplir las dos funciones al mismo tiempo. Gracias a esto la densidad de la memoria es casi del doble de las DRAM, o sea que teóricamente con un proceso de fabricación de 20nm como el del futuro DDR4, podrían tenerse memorias de hasta 64GB en un solo peine y además con velocidades más rápidas que las SRAM (memorias caché). Lamentablemente los costes de fabricación de los waffers SOI son muy altos por lo que pese a sus ventajas no han tenido una gran aceptación en la industria.
ADN: Investigaciones han codifcado formas de memoria regrabable dentro del ADN. Sus ventajas principales son su gran densidad y durabilidad. Se distinguen varias técnicas:
La primera, desarrollada en el departamento de Bioingeniería de la Universidad de Stanford utiliza las orientaciones de las hebras antiparalelas de ADN, que constituyen el 1 y el 0 en el sistema binario y utiliza cortes y empalmes de elementos genéticos desde un virus que infecta bacterias (bacteriófago) dentro del ADN de Escherichia Coli, esto consiste en un fragmento de ADN flanqueado por sitios que dirigen a las enzimas hechas por el bacteriófago y les dice dónde cortar el ADN y empalmarlo nuevamente dentro del cromosoma en orientación reversa, esto permite resetear el dispositivo repetidamente. El segundo corresponde a la universidad de Harvard, quienes lograron almacenar 700TB de información en solo un gramo de ADN, para lograr esto se utilizan las bases T (timina) y G (guanina) como un 1 y las A (adenina) y C (citocina) como un 0, por ejemplo el número ascii 36 que es igual a 100100, en ADN podría ser TACGCA. El último desarrollo corresponde a la Universidad China de Hong Kong quienes han logrado almacenar más de 900TB en un gramo de bacterias de Escherichia Coli, el funcionamiento es similar al desarrollo anterior pero se diferencia en utilizar cada base como un número diferente, conformando un sistema de numeración cuaternario (A=0, T=1, C=2 y G=3). Sin embargo la principal problemática de estas memorias son su poca capacidad de reescritura y baja velocidad de lectura/escritura.
Discos Ópticos: Un disco óptico es un tipo de memoria en forma de disco, compuesto por un material que puede ser alterado por un láser óptico para grabar datos en él, son el formato para almacenamiento de archivos multimedia y backups de datos por excelencia. Los discos ópticos aparecieron por el año 1978 con el Laserdisc, pero no fue hasta 1983 que tuvieron su auge con el Compact Disc (CD), que conformaron la primera generación. Luego de 30 años, se destacan varios desarrollos prometedores para la próxima cuarta generación. Ellos son:
• HVD: Disco Holográfico Versátil es una moderna tecnología de discos ópticos, que incrementará la capacidad de almacenamiento por encima de los sistemas ópticos Blu-ray y HD DVD. Es un tipo de disco holográfico, que está siendo desarrollado por la HVD Alliance. El HVD emplea una técnica conocida como holografía colineal, que utiliza dos láseres, uno rojo y otro verde, que se combinan en un único haz. El láser verde lee los datos codificados en una capa holográfica cerca de la superficie del disco, mientras que el láser rojo se utiliza para leer información de una capa de aluminio situada debajo, la cual se usa para controlar la posición de la cabeza de lectura sobre el disco. Entre las dos capas anteriores se emplea una capa de espejo dicroico para permitir el paso del láser rojo y reflejar el láser verde, lo cual impide que se produzcan interferencias. El resultado de esto son datos tridimensionales, hasta 6 terabytes (TB) de información y una tasa de transferencia de 1 Gbit/s al poder grabar hasta 60000 bits en un solo pulso luminoso.
• PCD: El Protein Coated Disc fue propuesto por Venkatesan Renugopalakrishnan en Harvard’s Medical School y en Northeastern University of Boston, es un tipo de disco óptico que utiliza una proteína llamada bacteriorodopsina proveniente de la arqueobacteria Halobacterium salunarum, esta proteína transforma la luz, que en este caso sería aplicada por un láser, en energía química formando una serie de intermediarios, con una conformación y color determinados, antes de volver a su estado basal. Para leer, se tomaría su estado basal como un 0 y un estado intermedio como un 1, llegando a capacidades de hasta 50 TB por disco.
• Hyper CD-ROM: Es un dispositivo de almacenamiento de datos óptico similar al CD-ROM con una estructura 3D multicapa, inventado por el científico rumano Dr. Eugen Pavel. Es una tecnología holográfca patentada por Storex Technologies, que permitiría crear discos de hasta 1 PetaByte, lo que es 1024 TeraBytes o 1000000 de GigaBytes en 12 cm de diámetro y 1,2 mm de espesor. Esta tecnología propone el uso de un láser que escribe nanomarcas en forma de patrones en múltiples capas de un disco formado por cerámica-cristal fluorescente fotosensible y se puede producir con la tecnología existente.
• 5D Superman: El almacenamiento de datos óptico 5D (cuyo nombre rinde homenaje a los cristales de la memoria de la serie) es un vidrio nanoestructurado para grabar de forma permanente datos digitales en 5-D mediante el proceso de escritura con láser de femtosegundos . El cristal de memoria es capaz de almacenar hasta 360 terabytes de datos durante miles de millones de años. El concepto se demostró experimentalmente en 2013. A partir de 2018 la tecnología está en uso de producción por parte de la Fundación Arch Mission.; su primer y segundo discos fueron entregados a Elon Musk , uno de ellos en su biblioteca personal y el otro colocado a bordo del Tesla Roadster en el espacio.
Efecto de Cuerpo Fotante: El efecto de cuerpo flotante (floating body effect) es un efecto producido en la tecnología SOI (Silicon On Insulator). La tecnología SOI sustituye la fabricación de obleas de silicio mono-cristalino, por el uso de una capa de aislante entre dos capas de semiconductores adoptando una forma de sándwich, esto trae la ventaja de reducir las capacidades parásitas y gracias a ello pueden alcanzarse mayores frecuencias de trabajo y menores tamaños de fabricación en transistores. Pero junto a esto ocurre un pequeño efecto capacitivo, el llamado efecto de cuerpo flotante, que mientras para las memorias RAM convencionales puede causar una pérdida de datos, las TT-RAM (Twin Transistor RAM) y Z-RAM (Zero capacitor RAM) transforman esa desventaja en el pilar básico de su funcionamiento, ya que prescinden del capacitor usado en el tradicional modelo transistor-capacitor de las DRAM en pos de un transistor que puede almacenar energía mediante este efecto mencionado, pudiendo así cumplir las dos funciones al mismo tiempo. Gracias a esto la densidad de la memoria es casi del doble de las DRAM, o sea que teóricamente con un proceso de fabricación de 20nm como el del futuro DDR4, podrían tenerse memorias de hasta 64GB en un solo peine y además con velocidades más rápidas que las SRAM (memorias caché). Lamentablemente los costes de fabricación de los waffers SOI son muy altos por lo que pese a sus ventajas no han tenido una gran aceptación en la industria.
ADN: Investigaciones han codifcado formas de memoria regrabable dentro del ADN. Sus ventajas principales son su gran densidad y durabilidad. Se distinguen varias técnicas:
La primera, desarrollada en el departamento de Bioingeniería de la Universidad de Stanford utiliza las orientaciones de las hebras antiparalelas de ADN, que constituyen el 1 y el 0 en el sistema binario y utiliza cortes y empalmes de elementos genéticos desde un virus que infecta bacterias (bacteriófago) dentro del ADN de Escherichia Coli, esto consiste en un fragmento de ADN flanqueado por sitios que dirigen a las enzimas hechas por el bacteriófago y les dice dónde cortar el ADN y empalmarlo nuevamente dentro del cromosoma en orientación reversa, esto permite resetear el dispositivo repetidamente. El segundo corresponde a la universidad de Harvard, quienes lograron almacenar 700TB de información en solo un gramo de ADN, para lograr esto se utilizan las bases T (timina) y G (guanina) como un 1 y las A (adenina) y C (citocina) como un 0, por ejemplo el número ascii 36 que es igual a 100100, en ADN podría ser TACGCA. El último desarrollo corresponde a la Universidad China de Hong Kong quienes han logrado almacenar más de 900TB en un gramo de bacterias de Escherichia Coli, el funcionamiento es similar al desarrollo anterior pero se diferencia en utilizar cada base como un número diferente, conformando un sistema de numeración cuaternario (A=0, T=1, C=2 y G=3). Sin embargo la principal problemática de estas memorias son su poca capacidad de reescritura y baja velocidad de lectura/escritura.
Discos Ópticos: Un disco óptico es un tipo de memoria en forma de disco, compuesto por un material que puede ser alterado por un láser óptico para grabar datos en él, son el formato para almacenamiento de archivos multimedia y backups de datos por excelencia. Los discos ópticos aparecieron por el año 1978 con el Laserdisc, pero no fue hasta 1983 que tuvieron su auge con el Compact Disc (CD), que conformaron la primera generación. Luego de 30 años, se destacan varios desarrollos prometedores para la próxima cuarta generación. Ellos son:
• HVD: Disco Holográfico Versátil es una moderna tecnología de discos ópticos, que incrementará la capacidad de almacenamiento por encima de los sistemas ópticos Blu-ray y HD DVD. Es un tipo de disco holográfico, que está siendo desarrollado por la HVD Alliance. El HVD emplea una técnica conocida como holografía colineal, que utiliza dos láseres, uno rojo y otro verde, que se combinan en un único haz. El láser verde lee los datos codificados en una capa holográfica cerca de la superficie del disco, mientras que el láser rojo se utiliza para leer información de una capa de aluminio situada debajo, la cual se usa para controlar la posición de la cabeza de lectura sobre el disco. Entre las dos capas anteriores se emplea una capa de espejo dicroico para permitir el paso del láser rojo y reflejar el láser verde, lo cual impide que se produzcan interferencias. El resultado de esto son datos tridimensionales, hasta 6 terabytes (TB) de información y una tasa de transferencia de 1 Gbit/s al poder grabar hasta 60000 bits en un solo pulso luminoso.
• PCD: El Protein Coated Disc fue propuesto por Venkatesan Renugopalakrishnan en Harvard’s Medical School y en Northeastern University of Boston, es un tipo de disco óptico que utiliza una proteína llamada bacteriorodopsina proveniente de la arqueobacteria Halobacterium salunarum, esta proteína transforma la luz, que en este caso sería aplicada por un láser, en energía química formando una serie de intermediarios, con una conformación y color determinados, antes de volver a su estado basal. Para leer, se tomaría su estado basal como un 0 y un estado intermedio como un 1, llegando a capacidades de hasta 50 TB por disco.
• Hyper CD-ROM: Es un dispositivo de almacenamiento de datos óptico similar al CD-ROM con una estructura 3D multicapa, inventado por el científico rumano Dr. Eugen Pavel. Es una tecnología holográfca patentada por Storex Technologies, que permitiría crear discos de hasta 1 PetaByte, lo que es 1024 TeraBytes o 1000000 de GigaBytes en 12 cm de diámetro y 1,2 mm de espesor. Esta tecnología propone el uso de un láser que escribe nanomarcas en forma de patrones en múltiples capas de un disco formado por cerámica-cristal fluorescente fotosensible y se puede producir con la tecnología existente.
• 5D Superman: El almacenamiento de datos óptico 5D (cuyo nombre rinde homenaje a los cristales de la memoria de la serie) es un vidrio nanoestructurado para grabar de forma permanente datos digitales en 5-D mediante el proceso de escritura con láser de femtosegundos . El cristal de memoria es capaz de almacenar hasta 360 terabytes de datos durante miles de millones de años. El concepto se demostró experimentalmente en 2013. A partir de 2018 la tecnología está en uso de producción por parte de la Fundación Arch Mission.; su primer y segundo discos fueron entregados a Elon Musk , uno de ellos en su biblioteca personal y el otro colocado a bordo del Tesla Roadster en el espacio.
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