COMO FUNCIONA:
LA MEMORIA DE BOLSILLO (Flash Drive)
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José Luis Giordano
Abril 04, 2005 (Última revisión: Mayo 7, 2007)


1-QUÉ ES

Los "USB flash memory drives" son accesorios de computación (dispositivos periféricos) sin pilas (ni cable de alimentación por red eléctrica), para guardar información (datos, texto, dibujos, música, etc.), conectándose al computador a través de un "port" USB (Universal Serial Bus).

A diferencia de un disco duro exterior, estos "drives" no tienen partes móviles. Son pequeños y livianos (unos 30 g), por lo tanto son portátiles. Su aspecto es similar al estuche de un lápiz resaltador, lápiz labial o al de un cigarro, por lo que existen nombres comerciales como "USB Bar","Micro Vault", "Mobile Hard Disk", "Pen Drive", "Data Traveller", "Pocki Drive" o "Cigar Drive". El cable de extensión USB que suelen traer, ocupa más espacio que el propio dispositivo.

Algunos vienen en tarjetas (como las de crédito) y otros en relojes; pero estos tipos son mucho menos difundidos, y por lo tanto, desde el punto de vista del Mercado de la Informática, no son aún tan representativos. Por eso, aquí nos referimos a modelos como el de la foto siguiente.




2-PARA QUÉ SIRVE

Las memorias de bolsillo sirven para grabar y almacenar gran cantidad de información desde un computador, llevarla y traspasarla al mismo o a otro computador, de manera rápida ("flash") y simple. También sirven para que ese traslado de información se haga de una sola vez y en un dispositivo con formato mecánicamente mucho menos frágil que varios floppy-disks (diskettes).

Los primeros diskettes de 3.5 pulgadas (8.89 cm de ancho), tenían una capacidad de 400 kilo Byte (1 kilo = 1 k = 1000 = mil), y los siguientes 800 kByte. Los floppy-disk actuales se denominan de "alta densidad" (high-density, HD), y tienen una capacidad de 1.4 mega Byte (1 mega = 1 M = 1000k = un millón). Desde que aparecieron estos flash drives hace unos años, van aumentando rápidamente de capacidad. Empezaron siendo equivalentes a uno o a unos pocos diskettes HD. En la actualidad (2005) llegan a almacenar 4 giga Byte (1 giga = 1 G = 1000M = mil millones), equivalentes a casi 3 mil diskettes !!!

De todos modos, cuando uno va a comprarlos, el "último" de los modelos más comunes (actualmente de 1 GByte), siempre cuesta cerca de 60 mil pesos (unos USD 100). Y el que era el típico de mayor capacidad, baja de precio al 70% al día siguiente de salir el nuevo al mercado. Es un buen ejemplo de algo cuyo precio estuvo desde el comienzo fijado por el mercado y no por el producto, que siempre costó muchísimo menos.

En relación a un disco compacto (compact disk, CD), los flash drives sirven para que la grabación se haga sin necesidad de un grabador especial, sino con el hardware del mismo flash drive y del computador al que se conecta. Con la coexistencia de CD´s y flash drives de tanta capacidad, los archivos o "files" seguirán siendo más "pesados", y los diskettes no servirán casi para nada. Estamos frente a la inevitable "extinción" de los diskettes HD.

También "sirven" para que gastemos más dinero en renovar artículos informáticos. Parte de su gran promoción es que "guardan la información sin pilas durante más de 10 años". Eso es cierto, pero sin embargo, me sorprendería que un usuario pudiese recuperar rutinariamente la información almacenada en un flash drive 2 ó 3 años después. Aunque los modelos "viejos" podrían ser de mucha utilidad (porque tienen mucha capacidad), lamentablemente dejan de servir al poco tiempo, ya que poseen requerimientos de velocidad y de sistemas operativos. Por lo tanto, antes de cambiar de computador, hay que asegurarse bien que el nuevo PC leerá de algún modo la información que deseamos conservar, y que ahora podamos tener en "viejos" flash drives.


3-CÓMO FUNCIONA

En este artículo nos referiremos al principio físico por el cual se almacena información en un flash drive, y no a su circuito electrónico. Sobre esto, solo mencionamos que tienen un circuito elaborado, que interactúa con el microprocesador del computador al que se conecta. En particular, en su interior se distinguen 3 piezas principales: un componente metálico alargado, que es un cristal de cuarzo y dos circuitos integrados planos ("chips") con muchos terminales. Uno de ellos es un tipo de microprocesador, y el otro es la unidad de almacenamiento de información, la "memoria" propiamente dicha, de la que trata este artículo.

Como la memoria de un flash drive no tiene partes móviles ni bobinas, el almacenamiento no puede ser magnético (ya que, según la Ley de Faraday-Lenz, requeriría la variación de flujo magnético para inducir voltaje). Por lo tanto, las unidades integradas que guardan la información en el interior del chip, lo hacen en forma eléctrica: son condensadores integrados.

En la naturaleza, los materiales están formados por moléculas compuestas por átomos enlazados entre sí. Según el tipo de enlace atómico y molecular, los electrones exteriores de cada átomo tienen mayor o menor posibilidad de moverse alrededor de los núcleos y electrones más internos. En los aislantes como muchos cerámicos y plásticos, donde los los enlaces son iónicos y/o covalentes, los electrones externos están fuertemente ligados a un átomo y sus "vecinos". Estos enlaces son, en general, complejos, y en algunos materiales, hacen que los electrones no estén uniformemente distribuídos. Es decir, pasan más tiempo en un lado de la molécula que en el otro. Esto significa que un material no conductor, aunque sea eléctricamente neutro, puede manifestar una electrización interna neta. Desde este punto de vista, los materiales podrían separarse en dos grupos antagónicos: los conductores (donde habiendo enlaces metálicos los "electrones libres" pueden ir de un átomo a otro a lo largo del material), y los aislantes o dieléctricos.

Un condensador es un dispositivo simple esencialmente formado por dos conductores separados por un aislante, a los que se puede aplicar un voltaje para generar un campo eléctrico que electrice el dieléctrico interior. De este modo se puede guardar carga eléctrica. Mientras más electrizable sea el dieléctrico, menor campo eléctrico habrá en el interior, y más carga podrá acumularse en el condensador. Según cuál sea la aplicación, se diseñan para acumular "energía eléctrica" o para guardar "información".

Una vez guardada la (carga) información, hay que poder leerla sin eliminarla. Para evitar que se descarguen los condensadores, se usa un tipo de transistores por efecto de campo (field effect transistors, FET´s) integrados, que actúan como interruptores de altísima aislación eléctrica.

Pero hay algo más ... si se quita la energía eléctrica al sistema, los condensadores típicos se descargan. Las memorias de este tipo se denominan "volátiles". Por lo tanto falta mencionar lo que hace que los flash drives no tengan pilas, y que sus memorias sean "no volátiles".

Existen dos tipos de dieléctricos; los que se denominan "lineales", requieren la presencia de un campo eléctrico exterior para estar electrizados. Por el contrario, los denominados "ferroeléctricos" tienen histéresis eléctrica, es decir, poseen memoria de haber sido electrizados, y hace falta energía externa para eliminar su estado de electrización.

El material dieléctrico de los condensadores de estas "memorias de bolsillo" es ferroeléctrico.

¿Cómo funciona un ferroeléctrico? Consideremos el compuesto ferroeléctrico más importante hasta el presente: el titanato de bario, BaTiO3. La mayoría de los dieléctricos de condensadores tienen este compuesto o algún compuesto relacionado, con una estructura denominada perovskita. En el caso del titanato de bario, por encima de 120° C, la estructura consiste en un catión Ti4+ en el centro de un cubo, con aniones O2- en las caras y cationes Ba2+ en las esquinas. Pero por debajo de la temperatura de Curie (120° C para el BaTiO3), hay una transición de fase que cambia la estructura cúbica a una donde los iones Ba2+ y O2- se desplazan de sus posiciones en el cubo, y el ión Ti4+ se desplaza del centro. Esto da origen a un dipolo eléctrico permanente, que genera una polarización eléctrica espontánea. Esto es la ferroelectricidad.

Este fenómeno se conoce desde antes de 1930, pero la integración a gran escala (que comenzó alrededor de 1980) y la alta velocidad de transferencia de información, se están incrementando solo desde las últimas décadas. Por lo tanto, se puede decir que este producto estaba conceptualmente inventado y esperando la tecnología del futuro para ser desarrollado.

Las memorias utilizadas en los flash drives son un tipo de FRAM (Ferroelectric Random Access Memory), que utilizan una película o film ferroeléctrico en condensadores integrados dentro de un chip. Sus carácterísticas más importantes son que operan a muy alta frecuencia, pueden regrabarse muchas veces, tienen muy bajo consumo y son no-volátiles.


4-DE QUÉ ESTÁ HECHA

La palabra "histéresis" se asociaba al "ferromagnetismo" debido a que los primeros materiales con histéresis conocidos, eran conductores magnéticos basados en hierro. Por lo tanto, cuando se descubrió la histéresis en dieléctricos (cuyo origen es distinto al ferromagnetismo), se la llamó ferroelectricidad no por el hierro (que esos dieléctricos no poseían), sino por la histéresis.

La historia puede resumirse como sigue. En 1655, Eli Seignette, un farmacéutico de La Rochelle (Francia), separó por primera vez el tetrahidrato tartrato de sodio y potasio, una sal medicinal ahora conocida como "sal de Rochelle" o "sal de Seignette". En 1824 Brewster observó el efecto de la temperatura en esta sal ("piroelectricidad"), y los hermanos Pierre y Paul-Jacques Curie realizaron estudios sistemáticos en 1880. Pero la ferroelectricidad fue recién bien establecida entre 1920 y 1930, sobre la sal de Rochelle. En la década siguiente, se descubrió y trabajó con otra sal (KDP), y se hicieron los primeros modelos. Entre 1940 y 1950 se desarrollaron condensadores de alta constante dieléctrica, con BaTiO3. Entre 1950 y 60, se descrubrieron muchas familias de materiales cerámicos ferroeléctricos, y en el período 1960-70 se avanzó mucho en la comprensión del fenómeno. A partir de aquí, junto con la teoría comienzan los avances tecnológicos más relevantes. Estas "cerámicas avanzadas" comienzan a usarse no solo como dieléctricos (en condensadores), sino también como transductores y actuadores (micrófonos, parlantes, sonares, ecógrafos, microscopios, chisperos, etc.), y termistores (como sensores de temperatura). Entre 1980 y 90 comienza la "edad de la integración", y desde 1990 la de la "miniaturización". La extraordinaria polarizabilidad que tienen estos materiales (10 a 50 mil veces más que un dieléctrico normal), hace que puedan tener mucha capacidad eléctrica, en muy poco espacio. Así, la tecnología desarrollada primero para los semiconductores, hoy se aplica también a los ferroeléctricos.

Las cerámicas avanzadas ferroeléctricas que en la actualidad se utilizan para alta densidad de almacenamiento de carga, son las denominadas PZT, PLZT y SBT, respectivamente con estequiometría Pb(Zr, Ti)O3, (Pb,La)(Zr,Ti)O3 y SrBi2Ta2O9, es decir, P por plomo (Pb), Z por circornio (Zr), T por titanio (Ti), L por lantano (La), S por estroncio (Sr) y B por bismuto (Bi).


REFERENCIAS

(1) Fujitsu 2005 FRAM Guide Boook
http://www.fujitsu.com/global/services/microelectronics/technical/fram/index_2.html



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