La memoria interna de un ordenador es el dispositivo que almacena datos informáticos. Estos datos pueden ser instrucciones, variables de control, operaciones realizadas por el microprocesador, programas en ejecución, entre otros.
La tecnología de las memorias ha ido evolucionando a lo largo de los años pasando desde las antiguas memorias que funcionaban con flujos magnéticos, hasta las modernas memorias de semiconductores que trabajan mediante condensadores o transistores.
El estudio de la memoria interna es elemental ya que cada vez se precisa disponer de más memoria para utilizar programas complejos y gestionar grandes cantidades de información.
Además, el tema que nos ocupa es crucial para cualquier profesional que necesite utilizar el ordenador de la forma más eficiente posible. Saber seleccionar el hardware adecuado es esencial para diseñar equipos con un rendimiento acorde al uso que se le vaya a dar.
En este artículo veremos en detalle las características y el funcionamiento de los distintos tipos de memoria interna.
1. Memoria interna
La memoria se organiza en varios niveles en función de sus prestaciones: velocidad, coste y capacidad. Esta distribución se conoce como jerarquía de memoria.
1.1. Jerarquía de memoria
El nivel superior está constituido por memorias muy rápidas, de pequeña capacidad y coste alto. Conforme bajamos de nivel las memorias serán más lentas, con mayor capacidad y de menor coste, tal y como se puede ver en la figura 1.
La memoria interna es la formada por los tres primeros niveles: registros, memoria caché y memoria principal o RAM (Random Access Memory). El cuarto nivel conforma la memoria externa o secundaria.
1.2. Registros
Los registros se utilizan en los microprocesadores para almacenar las operaciones que éste realiza. Para su implementación se utilizan bancos de registros o elementos de memoria SRAM (Static Random Access Memory) cuyas características se estudiarán en la siguiente sección.
1.3. Memoria caché
La memoria caché es una memoria auxiliar que almacena la información que más se utiliza de la memoria principal. La caché se implementa mediante tecnología SRAM y está dispuesta en varios niveles (L1, L2…) siendo la L1 la más rápida y de menor capacidad, ver figura 2.
1.4. Memoria principal
La memoria principal se utiliza para guardar datos de forma temporal. En esta memoria se puede leer y escribir, pero su información se borra cuando se apaga el dispositivo (memoria volátil). Utiliza elementos de memoria DRAM (Dynamic Random Access Memory) cuyas características se verán en los siguientes apartados.
2. Características y funciones de los tipos de memoria
La memoria se clasifica de forma general en memorias volátiles (SRAM, DRAM, RDRAM, VRAM y ECC) y no volátiles (ROM, PROM, EPROM, EEPROM y Flash).
2.1. SRAM
La SRAM (Static Random Access Memory) es una memoria estática (no necesita un ciclo constante de refresco para actualizar los datos almacenados) con una capacidad reducida que alcanza grandes velocidades. Se implementa con biestables y conserva la información mientras se le suministre corriente eléctrica. Su elevado precio hace que se use únicamente en memoria caché y registros.
Un biestable en una SRAM es un circuito que almacena un bit de información de forma estable mientras la memoria esté encendida. Cada celda de SRAM usa un biestable construido con puertas lógicas NAND o NOR. Esto permite que los datos se mantengan estables sin necesidad de refresco, a diferencia de la memoria DRAM.
2.2. DRAM
La memoria DRAM (Dynamic Random Access Memory), a diferencia de la anterior, tiene mayor capacidad, pero es más lenta y más económica. Dado su bajo coste, se utiliza como memoria principal de las computadoras. Está compuesta de celdas de memoria construidas con condensadores.
En la memoria DRAM (Dynamic Random Access Memory), los condensadores son componentes que almacenan los bits de datos en forma de carga eléctrica. Cada celda de memoria DRAM consta de un transistor y un condensador; el condensador retiene la carga que representa un bit de información, mientras que el transistor controla el acceso a esa carga para la lectura o escritura. Debido a que los condensadores pierden su carga con el tiempo, la memoria DRAM requiere un proceso continuo de refresco para mantener la integridad de los datos almacenados.
En la memoria DRAM, un transistor actúa como un interruptor que controla el acceso al condensador que almacena cada bit de información. Permite leer o escribir datos al conectar o desconectar el condensador de las líneas de memoria.
2.2.1. Tipos de DRAM
Los tipos de memoria DRAM y sus características más importantes se muestran en la tabla siguiente:
| Nombre | Voltaje | Nº Accesos por ciclo | Número de contactos |
| SDRAM | 3,3 | 1 | 168 |
| DDR SDRAM | 2,4 | 2 | 184 |
| DDR2 SDRAM | 1,8 | 4 | 240 |
| DDR3 SDRAM | 1,5 | 8 | 240 |
| DDR4 SDRAM | 1,2 | 8 | 288 |
| DDR5 SDRAM | 1,1 | 8 | 288 |
Como podemos ver en la tabla, a medida que las memorias SDRAM han evolucionado, se ha reducido el voltaje para disminuir el consumo energético y la generación de calor, desde 3.3V en SDRAM hasta 1.1V en DDR5. Al mismo tiempo, el número de accesos por ciclo ha aumentado, pasando de 1 en SDRAM a 8 en DDR5, lo que permite mayores velocidades de transferencia. Además, el número de contactos también ha crecido, de 168 en SDRAM a 288 en DDR4 y DDR5, permitiendo un mayor ancho de banda.
En este contexto, las memorias siguen evolucionando y han salido modalidades que son cada vez más rápidas y con menor consumo de energía. Por ejemplo las memorias “low voltage” que veremos en el apartado de “nuevas tecnologías”.
2.2.2. Latencia, velocidad física, velocidad efectiva y ancho de banda
Además de las características mostradas en la tabla, es importante comprender los siguientes conceptos:
- Latencia: Es el retardo introducido en cada acceso de memoria. Medida en milisegundos (ms).
- Velocidad física (Vfísica): Es la frecuencia de reloj del bus de memoria (en MHz). Representa cuántos ciclos realiza el bus por segundo.
- Velocidad efectiva (Vefect): Es la frecuencia «aparente» cuando la memoria realiza múltiples accesos por ciclo.
- Ancho de banda o tasa de transferencia: Indica la cantidad de datos que la memoria puede transferir por segundo.
Siendo:
Ancho de banda (MB/s) = Vefect (MHz) x Ancho bus (8 bytes)
Vefect = Vfísica x Nº accesos por ciclo
Vfísica= Frecuencia de reloj = Frecuencia del bus (MHz)
En las memorias actuales DDR (Double Data Rate) se utilizan las siguientes nomenclaturas:
- PC + Número de tipo + Ancho de banda. Ejemplo: PC3-12800 (Número de tipo = 3, Ancho de banda = 12800 MB/s)
- DDR + Número de tipo + Velocidad efectiva. Ejemplo: DDR3-1600 (Número de tipo = 3, Velocidad efectiva = 1600 MHz)
Ejercicio 1: Partiendo del siguiente modelo de memoria, indica su velocidad efectiva y el ancho de banda:
- Modelo: PNY XLR8 DDR4 3200 16GB (2x8GB) CL16
- Precio: 58,78 €
- Fuente: https://www.pccomponentes.com/pny-xlr8-ddr4-3200-pc4-25600-16gb-2x8gb-cl16
Cálculos:
- Velocidad efectiva = 3200 MHz → DDR4 3200 Número de tipo = 4
- Ancho de banda (MB/s) = Vefect (MHz) x Ancho bus (8 bytes) → Ancho de banda (MB/s) = 3200 MHz x 8 bytes = 25600 MB/s
- Esta memoria también podría representarse mediante la nomenclatura que indica su ancho de banda: PNY XLR8 PC4-25600 16GB (2x8GB) CL16
Ejercicio 2: Partiendo del siguiente modelo de memoria, indica su velocidad efectiva y el ancho de banda:
- Modelo: Corsair Vengeance LPX PC4-28800 16GB (2x8GB) CL18
- Precio: 74,99 €
- Fuente: https://www.pccomponentes.com/corsair-vengeance-lpx-ddr4-3600mhz-pc4-28800-16gb-cl18
Cálculos:
- Ancho de banda = 28800 MB/s → PC4-28800 Número de tipo = 4
- Vefect (MHz) = Ancho de banda (MB/s)/ Ancho del bus (8 bytes) =2600 MHz
- Esta memoria también podría representarse mediante la nomenclatura que indica su velocidad efectiva: Corsair Vengeance LPX DDR4-3600 16GB (2x8GB) CL18
2.3. RDRAM
La RDRAM (Rambus DRAM) es una memoria dinámica de acceso aleatorio y síncrona. Se utilizaba en Pentium 4 y en Nintendo 64, entre otros dispositivos. Dejó de utilizarse por su elevado precio y escasa comercialización.
2.4. VRAM
La memoria de vídeo o VRAM (Vídeo Ram) está presente en las tarjetas gráficas, ya sean integradas o dedicadas. Suele tener mejores prestaciones que la RAM y son más caras. La principal característica de esta memoria es que es accesible de forma simultánea por dos dispositivos, por la GPU (Unidad de Procesamiento Gráfico) y el controlador de pantalla. Esto significa que la GPU puede escribir datos en la VRAM (como texturas, imágenes, y otros gráficos), mientras que, al mismo tiempo, el controlador de pantalla puede leer esos datos para renderizarlos en la pantalla.
2.5. Memorias ECC
Las memorias ECC (Error Correcting Code) son usadas mayormente en servidores, donde es crucial minimizar errores. Disponen de un bit extra que nos indica si se ha detectado un fallo. El 1 nos señala que hay errores y el 0 que no hay.
2.6. ROM, PROM, EPROM, EEPROM y Flash
Las memorias ROM, PROM, EPROM, EEPROM y Flash son no volátiles y se utilizan para almacenar datos de manera permanente. A continuación se describen las características de las memorias no volátiles más relevantes:
- ROM (read-only memory): suelen contener el firmware del sistema que se graba en el proceso de fabricación. Son memorias de sólo lectura.
- PROM (programmable ROM): iguales características que las ROM, pero pueden grabarse una vez por el usuario.
- EPROM (Erasable PROM): iguales características que las anteriores pero se puede borrar en su totalidad más de una vez, mediante radiación ultravioleta.
- EEPROM (Electrically EPROM): puede ser programada, borrada y reprogramada eléctricamente.
- FLASH: funcionan mediante impulsos eléctricos y permiten velocidades de funcionamiento superiores frente a la tecnología EEPROM.
El firmware del ordenador, almacenado tradicionalmente en una ROM o, en versiones más modernas, en una memoria Flash, es el software básico que controla el hardware antes de que el sistema operativo se inicie. El ejemplo más común es el BIOS o su sucesor, el UEFI, que se encarga de la inicialización y prueba de los componentes del hardware, como el procesador, la memoria RAM y los dispositivos de almacenamiento.
3. Nuevas tecnologías en memorias
El avance de la tecnología ha permitido el surgimiento de los tipos de memorias que hemos ido viendo a lo largo del tema. A continuación, estudiaremos algunos avances tecnológicos que han tenido mucha repercusión.
- LPDDR (Low-Power Double Data Rate, también llamadas low voltage). Son una mejora de las memorias DDR. Consumen muy poca energía y disponen de una eficiencia muy alta. Existen diferentes generaciones, desde la LPDDR1 hasta la LPDDR5 lanzada en 2019.
- Single, dual, triple y quad channel. Anteriormente las placas base funcionaban en single channel, por lo que solo había un canal de comunicación de 64 bits entre los módulos de memoria. Actualmente, se puede disponer de dos, tres o cuatro buses de memoria que funcionan de forma concurrente. Para poder hacer uso de esta tecnología es necesario comprar kits de RAM exactamente idénticos.
- MRAM (magnetoresistive RAM). Lleva en desarrollo desde los años 90 y, a diferencia de la RAM, el almacenamiento se realiza mediante flujos magnéticos. Su gran ventaja es que es no volátil y ofrece mayor rendimiento. Sin embargo, aún está en desarrollo por parte de Intel.
- 3D XPoint: Ha sido desarrollada por Intel y Micron, 3D XPoint y es una tecnología de memoria no volátil que ofrece un rendimiento significativamente más rápido que las memorias NAND tradicionales. 3D XPoint se comercializa en Intel bajo el nombre de «Optane» y se sitúa entre la RAM y el almacenamiento permanente en términos de velocidad y capacidad. Se emplea en varias aplicaciones donde se requiere un rendimiento superior al de las SSD estándar, como en centros de datos y computadoras de alto rendimiento.
Pregunta 1: ¿Qué significan las siglas LPDDR? Respuesta: LPDDR significa Low-Power Double Data Rate, también conocida como memoria de bajo voltaje.
Pregunta 2: ¿Cuál es la principal ventaja de la tecnología LPDDR en comparación con las memorias DDR tradicionales? Respuesta: La principal ventaja de la tecnología LPDDR es su bajo consumo de energía y alta eficiencia.
Pregunta 3: ¿Cuántas generaciones de LPDDR existen hasta la fecha mencionada? Respuesta: Existen diferentes generaciones de LPDDR, desde LPDDR1 hasta LPDDR5, lanzada en 2019.
Pregunta 4: ¿Qué permite la tecnología de single, dual, triple y quad channel en las placas base modernas? Respuesta: Permite disponer de dos, tres o cuatro buses de memoria que funcionan de forma concurrente, aumentando el ancho de banda y mejorando el rendimiento del sistema.
Pregunta 5: ¿Por qué es necesario comprar kits de RAM idénticos para aprovechar la tecnología de canales múltiples? Respuesta: Es necesario porque los módulos de memoria deben ser exactamente idénticos para que los canales múltiples funcionen correctamente.
Pregunta 6: ¿Qué diferencia a la MRAM (Magnetoresistive RAM) de la RAM tradicional? Respuesta: A diferencia de la RAM tradicional, la MRAM almacena datos mediante flujos magnéticos, es no volátil y ofrece un mayor rendimiento.
Pregunta 7: ¿Cuál es la principal aplicación de la tecnología 3D XPoint? Respuesta: La principal aplicación de la tecnología 3D XPoint es en unidades de estado sólido (SSD) bajo la marca Optane, donde se requiere un rendimiento superior al de las SSD estándar.
Pregunta 8: ¿Qué empresas desarrollaron la tecnología 3D XPoint? Respuesta: La tecnología 3D XPoint fue desarrollada por Intel y Micron.
Pregunta 9: ¿Cómo se comercializa la tecnología 3D XPoint en Intel? Respuesta: Se comercializa bajo el nombre de «Optane».
Pregunta 10: ¿En qué se diferencia 3D XPoint de las memorias NAND tradicionales? Respuesta: 3D XPoint ofrece un rendimiento significativamente más rápido, menor latencia y es no volátil, colocándose entre la RAM y el almacenamiento permanente en términos de velocidad y capacidad.