Capítulo 04

Memoria: enseñar a un circuito a recordar

Todos los circuitos que hemos construido hasta ahora tienen amnesia total: cambia la entrada y la salida cambia al instante, sin dejar rastro del pasado. Pero computar exige recordar resultados intermedios. La solución es una idea tan simple que parece un truco: conectar la salida de un circuito a su propia entrada.

El truco de la realimentación

Imagina dos puertas NOR cruzadas: la salida de cada una alimenta una entrada de la otra. Ese lazo crea algo nuevo en nuestro mundo digital: un circuito con dos estados estables. Si una salida está en 1, fuerza a la otra a 0, lo que a su vez mantiene a la primera en 1. El circuito se sostiene a sí mismo: recuerda.

Este circuito se llama latch SR (Set–Reset), y es la célula de memoria más simple posible:

• Un pulso en S (set) pone la salida Q a 1… y se queda a 1 aunque S vuelva a 0.
• Un pulso en R (reset) pone Q a 0… y se queda a 0.
• Con S y R en reposo, el latch conserva lo último que le dijeron. Eso es un bit almacenado.

El reloj: poner orden en el caos

Un latch cambia en cuanto se lo piden, y eso en un chip con millones de señales viajando a la vez sería el caos: unas llegarían antes que otras y los datos se corromperían. La solución es el reloj: una señal que oscila entre 0 y 1 a ritmo fijo, como un metrónomo, y una versión mejorada del latch —el flip-flop D— que solo captura su entrada en el flanco del reloj, es decir, en el instante exacto en que el reloj pasa de 0 a 1. Entre tic y tic, ignora todo.

Cuando lees que un procesador va a 3 GHz, ahora sabes qué significa: su metrónomo late 3.000 millones de veces por segundo, y en cada latido, todos los flip-flops del chip capturan sus nuevos valores a la vez, en perfecta sincronía.

De bits a registros, de registros a gigabytes

• Registro: pon 32 o 64 flip-flops en fila y tienes un registro, la memoria de trabajo inmediata de la CPU. Rapidísimos y carísimos en transistores (unos 6 por bit en SRAM).
• Caché (SRAM): unos pocos megabytes de celdas de este tipo, dentro del propio chip, para tener a mano lo que más se usa.
• RAM (DRAM): para los gigabytes se usa otra técnica: un solo transistor y un condensador diminuto por bit. El condensador se descarga solo, así que hay que refrescarlo miles de veces por segundo. Es más lenta, pero muchísimo más densa y barata.