一文读懂NRAM技术 NRAM原理大揭秘

近日，人工智能在众多公共卫生领域的大显身手不断吸引着人们的目光。CT影像智能分析系统、智能配送机器人等人工智能技术及产品发挥着极大的作用，在它们背后，都少不了高性能存储器的身影。

而随着“新基建”的不断升温，业界对于更高性能存储器的需求也越发迫切。存储技术未来会是什么样的选择方向和创新的趋势呢？

NRAM原理大揭秘

在固态硬盘问世之初，外界对其稳定性曾经有过严重的担忧。经过证明，固态硬盘的稳定性要比我们所想的更高，寿命基本可以达到10年以上。但问题在于，它们所使用的NAND闪存会产生损耗：在NAND闪存当中，数据是使用电荷进行保持的，后者会被用来判断某段内存当中所包含的是0还是1。在使用过程当中，用来固定电子的绝缘层会产生损耗，并最终影响内存值判断的准确性。

不过现在，一种名为NRAM的新技术或可取代现有的NAND闪存，为固态硬盘带来近乎无限的使用寿命。NRAM的工作方式有所不同，它由碳纳米管层所制作而成，碳纳米管是由催化剂微粒（最常见的是铁元）生长而来的。

每个NRAM“单元”或晶体管由一个碳纳米管网络组成，其工作原理与其他非挥发性RAM技术相同。相互不接触的碳纳米管呈现高电阻状态，代表“关闭”或“0”状态；当碳纳米管相互接触时，它们呈现低电阻状态，代表“开启”或“1”状态。

纳米管的耐久度极高，可实现几乎无限的读写循环。它们还具备耐热、耐寒、抗电磁干扰和辐射的能力，而这些对于NAND或其他任何存储介质都是非常危险的。与此同时，它们的数据读写速度也非常快，可达到DDR4通道的饱和值。在问世之后，这项技术或许不会对于消费级固态硬盘产生直接、明显的影响。但对于数据中心和超级计算机来说，它的耐久度的确是个很大的吸引力。

Nantero公司花费了将近20年的时间来研究NRAM，该技术基于排列在交叉点电极之间的薄层中的无规组织的碳纳米管的浆料 —— 当施加电压时，CNT被拉到一起，接触点数量的增加减少了电极之间的电阻路径，这种连接是由范德华力在原子级上保持的。为了复位存储单元，电压脉冲会引起热振动来断开这些连接。

一个相对较新的技术是在可随意切换的CNT的随机组织“垫”上增加一层对齐的CNT。这些用于保护开关纳米管的下层免于金属从上方溅射的金属迁移。

所得的存储器在低能量下提供了20皮秒的切换速度，以及5ns的实际写入速度，并具有10^11个周期的耐久性。这证明了基于CNT的NRAM可能优于竞争对手技术（例如ReRAM和相变存储器），并且在物理几何尺寸方面具有更好的可扩展性，从而成为替代DRAM和NAND闪存的通用存储器。NRAM比基本上全部新起存储系统（PCM，MRAM和ReRAM）都更贴近通用性存储器，在理论上既能够更换DRAM还可以更换闪存芯片。

Nantero成立于2001年，其发展之路一直很艰难，尽管如此，它还是有不少长期投资者，包括戴尔、思科、金士顿技术公司、斯伦贝谢以及CFT Capital（这是由中芯国际注册成立的中国风险投资公司）。最近，该公司增加了Globespan Capital、CRV、Draper Fisher Jurvetson和Stata VenturePartners。

NRAM的“用武之地”

高性能的NRAM在众多应用领域拥有明显的竞争优势：

· 可应用于任何系统，NRAM不但是非易失性存储器，又具有与 DRAM 同等的高速特点； · 可实现instant on（即开即用）功能，降低功耗的同时提高了系统的性能； · 适应于逐渐增长的高温环境市场需求。 

总结NRAM技术特点：

· 第一读写的速度比较快，读写耐久性比NOR Flash高于1000倍；

· 其次是高可靠性，一般80度可以存储数据达到1000年，一般300度时可达10年；

· 第三是低功耗，待机模式的功耗接近于零。

· 还有无限的扩张性，FRAM突破不了100个纳米，一般NOR Flash做到十几个纳米，EEPROM做到60多个纳米，NRAM做的更小一些，未来的扩展空间比较大。

NRAM不但可以做数据储存也可以做程序储存，这一特性对消费类电子市场同样具备巨大吸引力。而就竞争格局来说，NRAM在高温操作、数据保持、高速读写上都比传统存储器更具优势，未来NRAM有望替换大容量EEPROM （容量低于8Mb）和小容量NOR Flash （容量大于16Mb）。

目前，针对独立NRAM和嵌入式NRAM的产品开发项目正在进行中。正在寻求独立NRAM的三个目的：用于DRAM替换，用于NAND闪存替换以及用于DRAM和NAND闪存都无法寻址的应用。在嵌入式存储器领域，正在进行使用嵌入式NRAM代替嵌入式非易失性存储器的工作，包括嵌入式闪存或嵌入式RAM（SRAM或DRAM）。

针对企业储存、企业伺服器与消费电子等领域，NRAM技术比快闪存储更具有颠覆性，更有利于在这领域的产品中实现新一波的创新。预计未来受到影响的应用涵盖消费性电子领域、行动运算、物联网(IoT)、企业储存、国防、航天以及车用电子等行业。

多位计算机存储器专家以及对此感兴趣的观察家都看好碳纳米管在非内存领域的应用。许多应用都是直接相关的，如化学传感器或RFID中继器等，但也有几个应用专用于先进材料，如太阳能电池、燃料电池、电力传输与MEMS等。严峻的半导体制造要求似乎导致它在其他应用上的优点。而从商业的角度来看，它也是相当有价值的IP。

2016年富士通和USJC公布，与Nantero企业达成共识受权该企业的NRAM技术性，三方企业自此相互着眼于NRAM运行内存的开发设计与生产制造。

Nantero决定授权这项技术，而非独自发展，可说是推动NRAM向前进展的关键。这让Fujitsu得以加速使该技术导入制造，随着这块市场大饼日益做大，合作伙伴将会更有动机共同分担产品开发的负担。作为NRAM的第一代产品，富士通16Mbit的DDR3 SPI接口产品预计将于2021年前后上市。

NRAM的竞争对手

在新型内存方面，NRAM的竞争对手有许多新兴技术，它们将在速度、耐用度和容量方面挑战NAND闪存。例如，铁电RAM(FRAM)出货量相当高；IBM开发了赛道内存；英特尔、IBM和Numonyx都开始生产相变内存；自1990年代以来，磁阻内存(MRAM)一直在开发中；惠普和海力士在开发ReRAM也被称作忆阻器；英飞凌在开发CBRAM。

NRAM的另外一个竞争对手是3D Xpoint内存，英特尔和美光都推出过相关产品。美光将以QuantX商标销售3D Xpoint内存（英特尔将以Octane商标销售），QuantX的对手是NAND闪存，因为QuantX是一种大容量存储设备用内存芯片，与DRAM相比，它速度、生产成本低，但速度远快于NAND。NRAM应当优于3D Xpoint，后者磨损快，写入速度远慢于读取速度。

目前NRAM生产成本约为DRAM一半，随着存储密度的提高，生产成本也将下降，这与NAND芯片产业相似，NRAM等替代性技术很有可能达到很高销量。之后，它会挑战DRAM，但是在销量接近DRAM前，NRAM成本无法匹敌DRAM。如果DRAM市场停止增长，NRAM将有很大的机遇，因为其市场有望以比DRAM难以企及的更低价格增长。

BCC Research预计，全球NRAM市场将从2018年到2023年实现62.5%的复合年成长率(CAGR)，其中嵌入式系统市场预计将在2018年达到470万美元，到了2023年将成长至2.176亿美元，CAGR高达115.3%。

正如BCC Research 的研究报告中所指出的，有关NRAM技术的消息已经好几次登上媒体头条了，尽管毁誉参半，但该报告的作者们预计，这项技术的重大进展将直接挑战目前根深蒂固的计算机内存技术。

25年来，内存产业一直在等待更好的技术出现。从某方面来说，NRAM更像是一种『迟到总比缺席好』(better late than never)的技术，但这也反映出产业对于变革的渴望。

虽然许多业界专家已经放弃等待CNT内存了，但以全新的眼光，才能真正看到从硅转变到碳的时刻来临。相较于其他的内存技术，NRAM的发展路径十分独特，传统的内存技术并没有像NRAM这样的发展过程。从硅到碳，意味着必须额外负担更多，但目前已有几家公司开始探索CNT内存了，IBM就是其中之一。
编辑：hfy