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(wèi)生領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)、智能配送機器人等人工智能技術及產(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器的身影。

而隨著“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。存儲技術未來會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，外界對其穩(wěn)定性曾經(jīng)有過嚴重的擔憂。經(jīng)過證明，固態(tài)硬盤的穩(wěn)定性要比我們所想的更高，壽命基本可以達到10年以上。但問題在于，它們所使用的NAND閃存會產(chǎn)生損耗：在NAND閃存當中，數(shù)據(jù)是使用電荷進行保持的，后者會被用來判斷某段內(nèi)存當中所包含的是0還是1。在使用過程當中，用來固定電子的絕緣層會產(chǎn)生損耗，并最終影響內(nèi)存值判斷的準確性。

不過現(xiàn)在，一種名為NRAM的新技術或可取代現(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NRAM“單元”或晶體管由一個碳納米管網(wǎng)絡組成，其工作原理與其他非揮發(fā)性RAM技術相同。相互不接觸的碳納米管呈現(xiàn)高電阻狀態(tài)，代表“關閉”或“0”狀態(tài)；當碳納米管相互接觸時，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，而這些對于NAND或其他任何存儲介質(zhì)都是非常危險的。與此同時，它們的數(shù)據(jù)讀寫速度也非?？?，可達到DDR4通道的飽和值。在問世之后，這項技術或許不會對于消費級固態(tài)硬盤產(chǎn)生直接、明顯的影響。但對于數(shù)據(jù)中心和超級計算機來說，它的耐久度的確是個很大的吸引力。

Nantero公司花費了將近20年的時間來研究NRAM，該技術基于排列在交叉點電極之間的薄層中的無規(guī)組織的碳納米管的漿料 —— 當施加電壓時，CNT被拉到一起，接觸點數(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上保持的。為了復位存儲單元，電壓脈沖會引起熱振動來斷開這些連接。

一個相對較新的技術是在可隨意切換的CNT的隨機組織“墊”上增加一層對齊的CNT。這些用于保護開關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的實際寫入速度，并具有10^11個周期的耐久性。這證明了基于CNT的NRAM可能優(yōu)于競爭對手技術（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(tǒng)（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，它還是有不少長期投資者，包括戴爾、思科、金士頓技術公司、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在眾多應用領域擁有明顯的競爭優(yōu)勢：

總結NRAM技術特點：

· 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度可以存儲數(shù)據(jù)達到1000年，一般300度時可達10年；

· 第三是低功耗，待機模式的功耗接近于零。

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

NRAM不但可以做數(shù)據(jù)儲存也可以做程序儲存，這一特性對消費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，針對獨立NRAM和嵌入式NRAM的產(chǎn)品開發(fā)項目正在進行中。正在尋求獨立NRAM的三個目的：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用。在嵌入式存儲器領域，正在進行使用嵌入式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域，NRAM技術比快閃存儲更具有顛覆性，更有利于在這領域的產(chǎn)品中實現(xiàn)新一波的創(chuàng)新。預計未來受到影響的應用涵蓋消費性電子領域、行動運算、物聯(lián)網(wǎng)(IoT)、企業(yè)儲存、國防、航天以及車用電子等行業(yè)。

多位計算機存儲器專家以及對此感興趣的觀察家都看好碳納米管在非內(nèi)存領域的應用。許多應用都是直接相關的，如化學傳感器或RFID中繼器等，但也有幾個應用專用于先進材料，如太陽能電池、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。而從商業(yè)的角度來看，它也是相當有價值的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技術性，三方企業(yè)自此相互著眼于NRAM運行內(nèi)存的開發(fā)設計與生產(chǎn)制造。

Nantero決定授權這項技術，而非獨自發(fā)展，可說是推動NRAM向前進展的關鍵。這讓Fujitsu得以加速使該技術導入制造，隨著這塊市場大餅日益做大，合作伙伴將會更有動機共同分擔產(chǎn)品開發(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(nèi)存方面，NRAM的競爭對手有許多新興技術，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的另外一個競爭對手是3D Xpoint內(nèi)存，英特爾和美光都推出過相關產(chǎn)品。美光將以QuantX商標銷售3D Xpoint內(nèi)存（英特爾將以Octane商標銷售），QuantX的對手是NAND閃存，因為QuantX是一種大容量存儲設備用內(nèi)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等替代性技術很有可能達到很高銷量。之后，它會挑戰(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將有很大的機遇，因為其市場有望以比DRAM難以企及的更低價格增長。

BCC Research預計，全球NRAM市場將從2018年到2023年實現(xiàn)62.5%的復合年成長率(CAGR)，其中嵌入式系統(tǒng)市場預計將在2018年達到470萬美元，到了2023年將成長至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NRAM技術的消息已經(jīng)好幾次登上媒體頭條了，盡管毀譽參半，但該報告的作者們預計，這項技術的重大進展將直接挑戰(zhàn)目前根深蒂固的計算機內(nèi)存技術。

25年來，內(nèi)存產(chǎn)業(yè)一直在等待更好的技術出現(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，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變到碳的時刻來臨。相較于其他的內(nèi)存技術，NRAM的發(fā)展路徑十分獨特，傳統(tǒng)的內(nèi)存技術并沒有像NRAM這樣的發(fā)展過程。從硅到碳，意味著必須額外負擔更多，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。