一文讀懂NRAM技術(shù) NRAM原理大揭秘

近日，人工智能在眾多公共衛(wèi)生領(lǐng)域的大顯身手不斷吸引著人們的目光。CT影像智能分析系統(tǒng)、智能配送機(jī)器人等人工智能技術(shù)及產(chǎn)品發(fā)揮著極大的作用，在它們背后，都少不了高性能存儲(chǔ)器的身影。

而隨著“新基建”的不斷升溫，業(yè)界對(duì)于更高性能存儲(chǔ)器的需求也越發(fā)迫切。存儲(chǔ)技術(shù)未來會(huì)是什么樣的選擇方向和創(chuàng)新的趨勢呢？

NRAM原理大揭秘

在固態(tài)硬盤問世之初，外界對(duì)其穩(wěn)定性曾經(jīng)有過嚴(yán)重的擔(dān)憂。經(jīng)過證明，固態(tài)硬盤的穩(wěn)定性要比我們所想的更高，壽命基本可以達(dá)到10年以上。但問題在于，它們所使用的NAND閃存會(huì)產(chǎn)生損耗：在NAND閃存當(dāng)中，數(shù)據(jù)是使用電荷進(jìn)行保持的，后者會(huì)被用來判斷某段內(nèi)存當(dāng)中所包含的是0還是1。在使用過程當(dāng)中，用來固定電子的絕緣層會(huì)產(chǎn)生損耗，并最終影響內(nèi)存值判斷的準(zhǔn)確性。

不過現(xiàn)在，一種名為NRAM的新技術(shù)或可取代現(xiàn)有的NAND閃存，為固態(tài)硬盤帶來近乎無限的使用壽命。NRAM的工作方式有所不同，它由碳納米管層所制作而成，碳納米管是由催化劑微粒（最常見的是鐵元）生長而來的。

每個(gè)NRAM“單元”或晶體管由一個(gè)碳納米管網(wǎng)絡(luò)組成，其工作原理與其他非揮發(fā)性RAM技術(shù)相同。相互不接觸的碳納米管呈現(xiàn)高電阻狀態(tài)，代表“關(guān)閉”或“0”狀態(tài)；當(dāng)碳納米管相互接觸時(shí)，它們呈現(xiàn)低電阻狀態(tài)，代表“開啟”或“1”狀態(tài)。

納米管的耐久度極高，可實(shí)現(xiàn)幾乎無限的讀寫循環(huán)。它們還具備耐熱、耐寒、抗電磁干擾和輻射的能力，而這些對(duì)于NAND或其他任何存儲(chǔ)介質(zhì)都是非常危險(xiǎn)的。與此同時(shí)，它們的數(shù)據(jù)讀寫速度也非?？?，可達(dá)到DDR4通道的飽和值。在問世之后，這項(xiàng)技術(shù)或許不會(huì)對(duì)于消費(fèi)級(jí)固態(tài)硬盤產(chǎn)生直接、明顯的影響。但對(duì)于數(shù)據(jù)中心和超級(jí)計(jì)算機(jī)來說，它的耐久度的確是個(gè)很大的吸引力。

Nantero公司花費(fèi)了將近20年的時(shí)間來研究NRAM，該技術(shù)基于排列在交叉點(diǎn)電極之間的薄層中的無規(guī)組織的碳納米管的漿料 —— 當(dāng)施加電壓時(shí)，CNT被拉到一起，接觸點(diǎn)數(shù)量的增加減少了電極之間的電阻路徑，這種連接是由范德華力在原子級(jí)上保持的。為了復(fù)位存儲(chǔ)單元，電壓脈沖會(huì)引起熱振動(dòng)來斷開這些連接。

一個(gè)相對(duì)較新的技術(shù)是在可隨意切換的CNT的隨機(jī)組織“墊”上增加一層對(duì)齊的CNT。這些用于保護(hù)開關(guān)納米管的下層免于金屬從上方濺射的金屬遷移。

所得的存儲(chǔ)器在低能量下提供了20皮秒的切換速度，以及5ns的實(shí)際寫入速度，并具有10^11個(gè)周期的耐久性。這證明了基于CNT的NRAM可能優(yōu)于競爭對(duì)手技術(shù)（例如ReRAM和相變存儲(chǔ)器），并且在物理幾何尺寸方面具有更好的可擴(kuò)展性，從而成為替代DRAM和NAND閃存的通用存儲(chǔ)器。NRAM比基本上全部新起存儲(chǔ)系統(tǒng)（PCM，MRAM和ReRAM）都更貼近通用性存儲(chǔ)器，在理論上既能夠更換DRAM還可以更換閃存芯片。

Nantero成立于2001年，其發(fā)展之路一直很艱難，盡管如此，它還是有不少長期投資者，包括戴爾、思科、金士頓技術(shù)公司、斯倫貝謝以及CFT Capital（這是由中芯國際注冊(cè)成立的中國風(fēng)險(xiǎn)投資公司）。最近，該公司增加了Globespan Capital、CRV、Draper Fisher Jurvetson和Stata VenturePartners。

NRAM的“用武之地”

高性能的NRAM在眾多應(yīng)用領(lǐng)域擁有明顯的競爭優(yōu)勢：

· 可應(yīng)用于任何系統(tǒng)，NRAM不但是非易失性存儲(chǔ)器，又具有與 DRAM 同等的高速特點(diǎn)； · 可實(shí)現(xiàn)instant on（即開即用）功能，降低功耗的同時(shí)提高了系統(tǒng)的性能； · 適應(yīng)于逐漸增長的高溫環(huán)境市場需求。

總結(jié)NRAM技術(shù)特點(diǎn)：

·第一讀寫的速度比較快，讀寫耐久性比NOR Flash高于1000倍；

·其次是高可靠性，一般80度可以存儲(chǔ)數(shù)據(jù)達(dá)到1000年，一般300度時(shí)可達(dá)10年；

· 第三是低功耗，待機(jī)模式的功耗接近于零。

· 還有無限的擴(kuò)張性，F(xiàn)RAM突破不了100個(gè)納米，一般NOR Flash做到十幾個(gè)納米，EEPROM做到60多個(gè)納米，NRAM做的更小一些，未來的擴(kuò)展空間比較大。

NRAM不但可以做數(shù)據(jù)儲(chǔ)存也可以做程序儲(chǔ)存，這一特性對(duì)消費(fèi)類電子市場同樣具備巨大吸引力。而就競爭格局來說，NRAM在高溫操作、數(shù)據(jù)保持、高速讀寫上都比傳統(tǒng)存儲(chǔ)器更具優(yōu)勢，未來NRAM有望替換大容量EEPROM （容量低于8Mb）和小容量NOR Flash （容量大于16Mb）。

目前，針對(duì)獨(dú)立NRAM和嵌入式NRAM的產(chǎn)品開發(fā)項(xiàng)目正在進(jìn)行中。正在尋求獨(dú)立NRAM的三個(gè)目的：用于DRAM替換，用于NAND閃存替換以及用于DRAM和NAND閃存都無法尋址的應(yīng)用。在嵌入式存儲(chǔ)器領(lǐng)域，正在進(jìn)行使用嵌入式NRAM代替嵌入式非易失性存儲(chǔ)器的工作，包括嵌入式閃存或嵌入式RAM（SRAM或DRAM）。

針對(duì)企業(yè)儲(chǔ)存、企業(yè)伺服器與消費(fèi)電子等領(lǐng)域，NRAM技術(shù)比快閃存儲(chǔ)更具有顛覆性，更有利于在這領(lǐng)域的產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)新一波的創(chuàng)新。預(yù)計(jì)未來受到影響的應(yīng)用涵蓋消費(fèi)性電子領(lǐng)域、行動(dòng)運(yùn)算、物聯(lián)網(wǎng)(IoT)、企業(yè)儲(chǔ)存、國防、航天以及車用電子等行業(yè)。

多位計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器專家以及對(duì)此感興趣的觀察家都看好碳納米管在非內(nèi)存領(lǐng)域的應(yīng)用。許多應(yīng)用都是直接相關(guān)的，如化學(xué)傳感器或RFID中繼器等，但也有幾個(gè)應(yīng)用專用于先進(jìn)材料，如太陽能電池、燃料電池、電力傳輸與MEMS等。嚴(yán)峻的半導(dǎo)體制造要求似乎導(dǎo)致它在其他應(yīng)用上的優(yōu)點(diǎn)。而從商業(yè)的角度來看，它也是相當(dāng)有價(jià)值的IP。

2016年富士通和USJC公布，與Nantero企業(yè)達(dá)成共識(shí)受權(quán)該企業(yè)的NRAM技術(shù)性，三方企業(yè)自此相互著眼于NRAM運(yùn)行內(nèi)存的開發(fā)設(shè)計(jì)與生產(chǎn)制造。

Nantero決定授權(quán)這項(xiàng)技術(shù)，而非獨(dú)自發(fā)展，可說是推動(dòng)NRAM向前進(jìn)展的關(guān)鍵。這讓Fujitsu得以加速使該技術(shù)導(dǎo)入制造，隨著這塊市場大餅日益做大，合作伙伴將會(huì)更有動(dòng)機(jī)共同分擔(dān)產(chǎn)品開發(fā)的負(fù)擔(dān)。作為NRAM的第一代產(chǎn)品，富士通16Mbit的DDR3 SPI接口產(chǎn)品預(yù)計(jì)將于2021年前后上市。

NRAM的競爭對(duì)手

在新型內(nèi)存方面，NRAM的競爭對(duì)手有許多新興技術(shù)，它們將在速度、耐用度和容量方面挑戰(zhàn)NAND閃存。例如，鐵電RAM(FRAM)出貨量相當(dāng)高；IBM開發(fā)了賽道內(nèi)存；英特爾、IBM和Numonyx都開始生產(chǎn)相變內(nèi)存；自1990年代以來，磁阻內(nèi)存(MRAM)一直在開發(fā)中；惠普和海力士在開發(fā)ReRAM也被稱作憶阻器；英飛凌在開發(fā)CBRAM。

NRAM的另外一個(gè)競爭對(duì)手是3D Xpoint內(nèi)存，英特爾和美光都推出過相關(guān)產(chǎn)品。美光將以QuantX商標(biāo)銷售3D Xpoint內(nèi)存（英特爾將以O(shè)ctane商標(biāo)銷售），QuantX的對(duì)手是NAND閃存，因?yàn)镼uantX是一種大容量存儲(chǔ)設(shè)備用內(nèi)存芯片，與DRAM相比，它速度、生產(chǎn)成本低，但速度遠(yuǎn)快于NAND。NRAM應(yīng)當(dāng)優(yōu)于3D Xpoint，后者磨損快，寫入速度遠(yuǎn)慢于讀取速度。

目前NRAM生產(chǎn)成本約為DRAM一半，隨著存儲(chǔ)密度的提高，生產(chǎn)成本也將下降，這與NAND芯片產(chǎn)業(yè)相似，NRAM等替代性技術(shù)很有可能達(dá)到很高銷量。之后，它會(huì)挑戰(zhàn)DRAM，但是在銷量接近DRAM前，NRAM成本無法匹敵DRAM。如果DRAM市場停止增長，NRAM將有很大的機(jī)遇，因?yàn)槠涫袌鲇型员菵RAM難以企及的更低價(jià)格增長。

BCC Research預(yù)計(jì)，全球NRAM市場將從2018年到2023年實(shí)現(xiàn)62.5%的復(fù)合年成長率(CAGR)，其中嵌入式系統(tǒng)市場預(yù)計(jì)將在2018年達(dá)到470萬美元，到了2023年將成長至2.176億美元，CAGR高達(dá)115.3%。

正如BCC Research 的研究報(bào)告中所指出的，有關(guān)NRAM技術(shù)的消息已經(jīng)好幾次登上媒體頭條了，盡管毀譽(yù)參半，但該報(bào)告的作者們預(yù)計(jì)，這項(xiàng)技術(shù)的重大進(jìn)展將直接挑戰(zhàn)目前根深蒂固的計(jì)算機(jī)內(nèi)存技術(shù)。

25年來，內(nèi)存產(chǎn)業(yè)一直在等待更好的技術(shù)出現(xiàn)。從某方面來說，NRAM更像是一種『遲到總比缺席好』(better late than never)的技術(shù)，但這也反映出產(chǎn)業(yè)對(duì)于變革的渴望。

雖然許多業(yè)界專家已經(jīng)放棄等待CNT內(nèi)存了，但以全新的眼光，才能真正看到從硅轉(zhuǎn)變到碳的時(shí)刻來臨。相較于其他的內(nèi)存技術(shù)，NRAM的發(fā)展路徑十分獨(dú)特，傳統(tǒng)的內(nèi)存技術(shù)并沒有像NRAM這樣的發(fā)展過程。從硅到碳，意味著必須額外負(fù)擔(dān)更多，但目前已有幾家公司開始探索CNT內(nèi)存了，IBM就是其中之一。
編輯：hfy