一文讀懂｜NRAM是什么？下一代存儲“神器”？

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

而隨著(zhù)“新基建”的不斷升溫，業(yè)界對于更高性能存儲器的需求也越發(fā)迫切。存儲技術(shù)未來(lái)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(pán)問(wèn)世之初，外界對其穩定性曾經(jīng)有過(guò)嚴重的擔憂(yōu)。經(jīng)過(guò)證明，固態(tài)硬盤(pán)的穩定性要比我們所想的更高，壽命基本可以達到10年以上。但問(wèn)題在于，它們所使用的NAND閃存會(huì )產(chǎn)生損耗：在NAND閃存當中，數據是使用電荷進(jìn)行保持的，后者會(huì )被用來(lái)判斷某段內存當中所包含的是0還是1。在使用過(guò)程當中，用來(lái)固定電子的絕緣層會(huì )產(chǎn)生損耗，并最終影響內存值判斷的準確性。

不過(guò)現在，一種名為NRAM的新技術(shù)或可取代現有的NAND閃存，為固態(tài)硬盤(pán)帶來(lái)近乎無(wú)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(jiàn)的是鐵元）生長(cháng)而來(lái)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高電阻狀態(tài)，代表“關(guān)閉”或“0”狀態(tài)；當碳納米管相互接觸時(shí)，它們呈現低電阻狀態(tài)，代表“開(kāi)啟”或“1”狀態(tài)。

納米管的耐久度極高，可實(shí)現幾乎無(wú)限的讀寫(xiě)循環(huán)。它們還具備耐熱、耐寒、抗電磁干擾和輻射的能力，而這些對于NAND或其他任何存儲介質(zhì)都是非常危險的。與此同時(shí)，它們的數據讀寫(xiě)速度也非?？?，可達到DDR4通道的飽和值。在問(wèn)世之后，這項技術(shù)或許不會(huì )對于消費級固態(tài)硬盤(pán)產(chǎn)生直接、明顯的影響。但對于數據中心和超級計算機來(lái)說(shuō)，它的耐久度的確是個(gè)很大的吸引力。

Nantero公司花費了將近20年的時(shí)間來(lái)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(wú)規組織的碳納米管的漿料 —— 當施加電壓時(shí)，CNT被拉到一起，接觸點(diǎn)數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上保持的。為了復位存儲單元，電壓脈沖會(huì )引起熱振動(dòng)來(lái)斷開(kāi)這些連接。

一個(gè)相對較新的技術(shù)是在可隨意切換的CNT的隨機組織“墊”上增加一層對齊的CNT。這些用于保護開(kāi)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(xiě)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)于競爭對手技術(shù)（例如ReRAM和相變存儲器），并且在物理幾何尺寸方面具有更好的可擴展性，從而成為替代DRAM和NAND閃存的通用存儲器。NRAM比基本上全部新起存儲系統（PCM，MRAM和ReRAM）都更貼近通用性存儲器，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(cháng)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成立的中國風(fēng)險投資公司）。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在眾多應用領(lǐng)域擁有明顯的競爭優(yōu)勢：

總結NRAM技術(shù)特點(diǎn)：

· 第一讀寫(xiě)的速度比較快，讀寫(xiě)耐久性比NOR Flash高于1000倍；

· 其次是高可靠性，一般80度可以存儲數據達到1000年，一般300度時(shí)可達10年；

· 第三是低功耗，待機模式的功耗接近于零。

· 還有無(wú)限的擴張性，FRAM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(lái)的擴展空間比較大。

NRAM不但可以做數據儲存也可以做程序儲存，這一特性對消費類(lèi)電子市場(chǎng)同樣具備巨大吸引力。而就競爭格局來(lái)說(shuō)，NRAM在高溫操作、數據保持、高速讀寫(xiě)上都比傳統存儲器更具優(yōu)勢，未來(lái)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，針對獨立NRAM和嵌入式NRAM的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)項目正在進(jìn)行中。正在尋求獨立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(wú)法尋址的應用。在嵌入式存儲器領(lǐng)域，正在進(jìn)行使用嵌入式NRAM代替嵌入式非易失性存儲器的工作，包括嵌入式閃存或嵌入式RAM（SRAM或DRAM）。

針對企業(yè)儲存、企業(yè)伺服器與消費電子等領(lǐng)域，NRAM技術(shù)比快閃存儲更具有顛覆性，更有利于在這領(lǐng)域的產(chǎn)品中實(shí)現新一波的創(chuàng )新。預計未來(lái)受到影響的應用涵蓋消費性電子領(lǐng)域、行動(dòng)運算、物聯(lián)網(wǎng)(IoT)、企業(yè)儲存、國防、航天以及車(chē)用電子等行業(yè)。

多位計算機存儲器專(zhuān)家以及對此感興趣的觀(guān)察家都看好碳納米管在非內存領(lǐng)域的應用。許多應用都是直接相關(guān)的，如化學(xué)傳感器或RFID中繼器等，但也有幾個(gè)應用專(zhuān)用于先進(jìn)材料，如太陽(yáng)能電池、燃料電池、電力傳輸與MEMS等。嚴峻的半導體制造要求似乎導致它在其他應用上的優(yōu)點(diǎn)。而從商業(yè)的角度來(lái)看，它也是相當有價(jià)值的IP。

2016年富士通和USJC公布，與Nantero企業(yè)達成共識受權該企業(yè)的NRAM技術(shù)性，三方企業(yè)自此相互著(zhù)眼于NRAM運行內存的開(kāi)發(fā)設計與生產(chǎn)制造。

Nantero決定授權這項技術(shù)，而非獨自發(fā)展，可說(shuō)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)導入制造，隨著(zhù)這塊市場(chǎng)大餅日益做大，合作伙伴將會(huì )更有動(dòng)機共同分擔產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的負擔。作為NRAM的第一代產(chǎn)品，富士通16Mbit的DDR3 SPI接口產(chǎn)品預計將于2021年前后上市。

NRAM的競爭對手

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

NRAM的另外一個(gè)競爭對手是3D Xpoint內存，英特爾和美光都推出過(guò)相關(guān)產(chǎn)品。美光將以QuantX商標銷(xiāo)售3D Xpoint內存（英特爾將以Octane商標銷(xiāo)售），QuantX的對手是NAND閃存，因為QuantX是一種大容量存儲設備用內存芯片，與DRAM相比，它速度、生產(chǎn)成本低，但速度遠快于NAND。NRAM應當優(yōu)于3D Xpoint，后者磨損快，寫(xiě)入速度遠慢于讀取速度。

目前NRAM生產(chǎn)成本約為DRAM一半，隨著(zhù)存儲密度的提高，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)很有可能達到很高銷(xiāo)量。之后，它會(huì )挑戰DRAM，但是在銷(xiāo)量接近DRAM前，NRAM成本無(wú)法匹敵DRAM。如果DRAM市場(chǎng)停止增長(cháng)，NRAM將有很大的機遇，因為其市場(chǎng)有望以比DRAM難以企及的更低價(jià)格增長(cháng)。

BCC Research預計，全球NRAM市場(chǎng)將從2018年到2023年實(shí)現62.5%的復合年成長(cháng)率(CAGR)，其中嵌入式系統市場(chǎng)預計將在2018年達到470萬(wàn)美元，到了2023年將成長(cháng)至2.176億美元，CAGR高達115.3%。

正如BCC Research 的研究報告中所指出的，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，但該報告的作者們預計，這項技術(shù)的重大進(jìn)展將直接挑戰目前根深蒂固的計算機內存技術(shù)。

25年來(lái)，內存產(chǎn)業(yè)一直在等待更好的技術(shù)出現。從某方面來(lái)說(shuō)，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)對于變革的渴望。

雖然許多業(yè)界專(zhuān)家已經(jīng)放棄等待CNT內存了，但以全新的眼光，才能真正看到從硅轉變到碳的時(shí)刻來(lái)臨。相較于其他的內存技術(shù)，NRAM的發(fā)展路徑十分獨特，傳統的內存技術(shù)并沒(méi)有像NRAM這樣的發(fā)展過(guò)程。從硅到碳，意味著(zhù)必須額外負擔更多，但目前已有幾家公司開(kāi)始探索CNT內存了，IBM就是其中之一。