超级NRAM存储器技术全解析
说起石墨烯、碳纳米管这样的产品，人们普遍会将它们和“黑科技”、“高性能”等词汇联系起来。在一般的研究者眼中，诸如石墨烯、碳纳米管这样的产品，虽然研究潜力巨大，但和我们目前的产品、应用距离还是比较遥远，短期内不会进入日常生活。但是，近期对碳纳米管的研究发现，碳纳米管和相关材料在存储设备上的使用，可能会彻底改变目前以DRAM、SRAM为主的存储产业结构。这就是今天的主角—NRAM，全称为Nano-RAM纳米存储器。它的商业化能力和产业前景，已经有望支撑起一个全新的产业链了。
NRAM的结构—碳纳米管领衔
一般来说，数据1和0的存储在产品实现中一定会转换成一种可检测的、有显著差异且容易改变的物理状态。一般人们会用电压、电阻或者其他更复杂状态的差异来表示0或者1、或者其他类似数据。举个例子，我们熟悉的DR AM、SR AM实际上都是利用特殊结构，将电子困在指定的区域中，通过调节区域内电子的数量改变线间电压的差值，进而表征数据状态—比如设定高电压是1、低电压是0。进一步扩大的话，如果这种存储单元有四个不同的物理状态且容易改变，那么从最高电压、中高电压、中低电压到低电压的四种状态，就分别是11、10、01、00—这也是目前M LC Flash颗粒（非易失性存储器，和DRAM基本原理不同，但存储结构相似，具有一定可比性）的原理，能够在一个单元内实现更多的数据存储。
碳纳米管的优势来源于其独特的物理结构。在研究中，人们还发现了一种利用碳纳米管导电特性的方式：如果碳纳米管以交叉方式分布的话，交叉碳纳米管的接触和分离，能够改变整个系统的电阻特性。举例来说，理想条件下，如果两根碳纳米管以十字形态排列分别形成X线和Y线，当两个碳纳米管轻微接触时电阻就会大大降低，电流即可流过，此时可以定义为“O n”，也就是数据“1”；如果这两根碳纳米管分开，电阻就会大幅度加强，电流就受到阻碍，此时可以定义为“OFF”，也就是数据“0”。十字形交叉的优势在于X线和Y线可以分别对应传统的字线和位线，再加上控制线，就可以兼容传统的控制单元，实现数据的读写擦除和选择。
好了，这样一来存储器的雏形就出现了，至少有一种方法能够实现碳纳米管对数据的存储。下面就需要采用一种特殊的方法来控制这种状态的变化了。下一页的两张图表示了一个NRAM的结构。
其中第一张图展示了N R A M一个单元的正视图的结构。其中引人图则展示了一个NR AM单元的电路基本结构原理图。CNT也就是碳纳米管“织物”区，就像一个不断导通、关闭的开关那样，电阻不断地在高和低中间变化，就可以实现数据的存储。
NRAM的基本原理简图
NRAM的工作原理简图
TIPS小知识：什么是碳纳米管？
碳纳米管结构示意图
碳的各种同素异形体，包括钻石、石墨烯、富勒烯、碳纳米管等。
制备完成的碳纳米管照片，可见条形结构。碳纳米管，理想情况下是一种具有圆柱形纳米结构的碳的同素异形体。从空间结构上来说，碳纳米管看起来像中空的管子，不过管壁是由碳原子的六边形结构延展而成。一些科学家认为碳纳米管是二维石墨烯平面卷曲而成，因此碳纳米管在很多性质上和石墨烯有共通之处，比如强度极高、导电性能出色、硬度大等。
理论上的碳纳米管是如此的完美，但实际上人们制造的产品包含了大量“不纯”的碳纳米管，比如多壁碳纳米管、夹杂了五边形或者七边形结构的碳纳米管等，这导致实际制备的碳纳米管的性质要比理论中的碳纳米管性质差不少。不仅如此，碳纳米管的性质测试往往使用单个或者少量碳纳米管完成，一旦大量的碳纳米管在一起聚集后，容易由于各向异性而削弱碳纳米管的性质，使得碳纳米管表现不出足够的性能优势。因此，未来如何制作纯度更高、性能更好的碳纳米管，是一个非常值得关注的问题。
另外，碳纳米管在生物安全性上也有一定的问题。比如碳纳米管可能存在致癌风险、致畸风险等，还需要进一步的实验和研究才能确定。
那么N R A M是如何做到电阻高低变化的呢？我们知道，当碳纳米管接触在一起时，由于两者之间具有高达5eV范德华力的存在，两根碳纳米管并不容易分开；当碳纳米管没有接触在一起时，由于具有杨氏模量高达1T P a的刚度的存在，碳纳米管并不容易自动接触。因此，这两种状态在没有外界干扰的情况下，是稳态，所以N R AM可以呈现非常好的非易失性。所谓控制，就需要在这两种状态之间转换，这种转换主要作用在上一段曾提到的碳纳米管控制部分的上下两端电极上：
1.当NRAM单元处于0的状态，也就是碳纳米管是“分离”状态、电阻较大时，在顶部和底部电极之间施加高于读取电压 的“低”电压时，将带来碳纳米管之间的静电效应导致纵横的碳纳米管“织物”导通，从而成功改变状态，降低了电阻，从“0”变成“1”。
2.当NRAM单元处于1的状态，也就是碳纳米管是“导通”状态、电阻较小时，施加一个高于读取电压的电压（比上文的“低”电压要显著的高），将产生具有足够能量的C N T声子激发，从而使得碳纳米管分开，呈现不导通状态，因此提高了电阻，从“1”变成“0”。
通过上文的描述，大家应该大概了解了NRAM的结构和读写过程。这个过程看起来并不复杂，在本文之前的举例中，碳纳米管都是以比较“单纯”的情况出现的，比如在举例“1”和“0”的碳纳米管实现方法上，就单独使用两根碳纳米管。不过实际情况并没有这么简单。
从前一页的碳纳米管照片也可以看出，受制于工艺等问题，实际N R A M所使用的碳纳米管并不是两根或者几根碳纳米管，而是一堆碳纳米管组成的一个“织物”。这样一来，虽然也能够实现碳纳米管的导通和非导通，但是肯定有部分碳纳米管无法很好地完成这个工作，因此不能实现绝对化的绝缘或者非绝缘，实际应用中使用的是电阻的差值。从另一个角度来看，一堆复杂的碳纳米管“织物”反而带来一个不错的思路：由于碳纳米管“织物”有可能呈现从接近绝缘到不绝缘的多种状态，只要此差值足够大的话，N R A M甚至可以实现多个中间态，也就是说一个NRAM单元有可能存储多位数据，且由于这样的存储并不会带来电子损耗或者其他的磨损等问题，其寿命和单数据存储的N R AM完全相同（当然可能存在读写速度较慢等问题），无疑能大幅度降低存储设备的成本，使得N R AM能够更快地走入千家万户。
说完了基本原理和结构，再来看看N R AM的制造。目前我们看到的N R A M都属于第二代N R A M技术。和第一代基于三端半导体器件（俗称三极管，其中第三级用于切换不同的存储区块）的N R A M不同的是，第二代NRAM是一种基于双端半导体器件的存储单元。这种单元的优势在于结构上更为紧凑，和制程工艺匹配也比较容易，更容易在20n m及以下的制造工艺上完成。从工艺角度来看，NRAM完全兼容目前的CMOS工艺，它的主要问题在于如何将碳纳米管和目前的晶圆工艺相结合，目前这个问题解决得也比较成功。在底层通孔和金属层布置完成后，碳纳米管层可以通过化学或者其他方法均匀沉积在晶圆上，再在碳纳米管层上方覆盖金属层形成控制单元。由于工艺方面实现难度不大，N R A M的重要合作方富士通已经准备着手NRAM的量产了。
TIPS：声子是什么？
声子是一个复杂的概念，它的英文为Phonon，是晶格震动的减震膜能量量子。简单来说，声子并不是一种粒子，而是指一种状态，就像光量子用于描述光波的量子化那样，声子是用于定义固体内震动的传播，类似固体传播的离散化定义。在这里我们无须深入纠结声子的概念，只要知道更高电压能够分离碳纳米管，使得电阻减小即可。注意的就是“三明治”结构的碳纳米管控制部分，它的上下两层分别是电极，中间为碳纳米管“织物”。从右下方的顶视图来看，所谓的碳纳米管“织物”，是指大量存在方向性的碳纳米管“交织结构”，大量的碳纳米管在这个区间内纵横交错。第二张
NRAM基本单元图。图中BL是位线、WL是字线、SL是选择线。
NRAM的优势总结
NRAM样品示意图令人惊喜的特性—NRAM的速度、密度、功耗、安全和价格
在这一部分，本文将详细介绍N R A M的基本性能和特性。当然，目前N R A M的产品尚未上市，对于速度、功耗等，需要在相应的制程下才能充分体现。同时大量的性能和特性只能从其原理推论而出，等到具体产品上市后，N R A M还会接受厂商和用户充分的检验，那时候我们才能清晰看到NRAM的性能表现。
首先来看速度。根据NRAM研发方N ate ro公司的描述，N R A M的速度大约是D R A M的100倍左右。从原理来看，D R A M是依靠电流不断刷新来维持电容内电子从而存储数据的，其响应时间在ns级别。从N R A M的原理来看，在施加电压后，碳纳米管如果能以很快的速度（甚至瞬态）转变状态的话，NR AM是有可能将响应时间进一步降低的，毕竟DR AM的电容还有充电时间，目前的数据宣称NRAM响应时间在皮秒级别。因此，NR AM有希望用作CPU核心的缓存，同时大幅度扩充容量，提高系统性能。谨慎的估计是，首批N R A M的性能应该能够做到和同期DRAM持平，随后会不断调整工艺和结构达到更好的性能。
接下来看数据密度。理论上N R A M和D R A M的数据密度是相近的，因为它们的结构都不复杂，在制造上难度近似。不过，在更新的工艺下，D R A M可能存在瓶颈。因为新工艺虽然不断缩小线宽和晶体管体积，实际上也在缩小DRAM所使用的电容体积，使得可以存储的电子数量大幅度降低（这也是N V R A M也就是Flash存储的核心问题之一）。但是N R A M对这个问题的敏感度就大大降低，因为它检测的是材料的电阻值。从可探测性角度评价的话，电阻值的变化相比电容值或电子空穴对体积的要求低得多。N R A M已经在布局5n m甚至更先进工艺下的芯片制造了，更新的工艺无疑会大大地提高N R A M的数据密度。另外，在单元多数据的问题上，比如MLC、T L C等，N R A M在理论上也是可以实现的，并且也不会显著影响寿命。因此，在数据密度方面，N R A M至少不会落伍，并且有望变得更为出色。3D工艺方面，NR AM本身结构也比较简单，能够比较轻松地兼容3D工艺，再次大幅度提高数据密度。
第三则是功耗。功耗是NRAM的先天优势。其中最显眼的一点就是由于N R AM本身是非易失性的，因此不需要刷新就可以保存数据，这降低了绝大部分静态电流。要知道CPU中大量的面积和能耗都用于SRAM组成的Cache存储和刷新数据，NRAM在这一点上呈现出完胜的态势。另外一点则是读写时的功耗，目前N R A M的读取功耗很低，写入功耗根据不同状态有所不同，但是考虑到写入时间非常短，写入功耗表现应该也不会太高，瞬态应该不会高于D R A M和N V R A M，官方数据是N R A M的每位写入功耗比闪存低160倍。综合来看，由于非易失性和较低的写入功耗，NRAM的表现令人满意。
第四则是数据安全和寿命。这是N R A M的独特优势。因为N R A M的结构决定了碳纳米管的状态变化只能由板间电压引起，数据存储也是由电阻表征，这两个特性都不像D R A M的电容和N V R A M的电压那样容易受到影响，因此N R A M在抗磁性、抗辐射方面表现非常优异。另外，N R A M能够最高在300摄氏度的温度下保存数据最多十年，在85摄氏度下保存数据高达1000年。抗震性能也和所有的固态存储器一样，极为优异。读写寿命方面，N a t e r o的数据显示N R A M写入周期高达10的12次方，读取周期高达10的15次方，同时日本中央大学的研究人员宣称N R A M的写入寿命高达约10亿次—无论哪个数据，在应用角度几乎都可以看作是无限的了。
第五则是价格问题。从高科技产品的发展角度来看，早期产品的价格肯定是远高于市场同类型产品的，至少在性价比上一般都不会体现出什么优势。随着技术进一步成熟和产能扩大，产品的价格才会出现松动而大幅度降低。从这个规律来看，N R A M在早期价格应该会比较昂贵，富士通计划推出D D R4规范的NR AM存储颗粒，随后还会涉及到其他设备尤其是手机等产品。粗略估计N R AM如果能够顺利推广的话，在其大规模上市后两到三年才会形成明显的规模效应，价格将有机会大幅度降低。
FRAM架构简图，可见和NRAM有一些类似。
MRAM架构简图，可见磁极方向。拼杀—和其他新一代存储器产品的比较
在之前的介绍中，本文主要将NR AM和DR AM以及NVR AM这样已经上市很久的存储器进行了对比。实际上，目前除了N R A M外，还有其他在研或者已经推出的新一代存储器产品。比如FRAM铁电存储器、MRAM磁阻随机存储器、PR A M相变存储器等。和这些产品相比，N R A M优势是否还那么明显呢？
首先来看F R A M。F R A M的结构和N R AM有相似性，但使用的是铁电层实现非易失性和数据存储，这种设计带来了FR A M的低功耗、高性能和长耐久性，不过也带来了F R A M目前所面临的低数据密度、存储容量限制和高成本。比如FR A M只尝试过130n m工艺，更先进的工艺则没有完成。性能方面，F R A M和D R A M基本相当，竞争优势不够明显。显然，和F R A M相比，N R A M处于完胜的状态。
M R A M是利用磁极变化来存储数据的存储器，结构经过了重新设计以适应新的存储原理。不过，这也导致了M R A M存在数据密度不够高（目前只在180nm生产工艺下完成制造）等问题，也有一些未经核实的资料宣称MRAM和DRAM数据密度相当。功耗方面，M R A M表现出色，几乎无可挑剔。性能方面，M R A M的性能和S R A M比较接近但是没有超越S R A M。比较之下，N R A M在存储密度上要更有优势一些，而工艺制造上M R A M则要比N R A M更为复杂。但是性能方面，理论上N R A M比MRAM更出色，当然实际表现尚不能确定。M R A M目前的问题在于制造和数据密度，如果能解决得很好的话，应该是一个不错的产品。
P R A M是美光和英特尔的主要研发对象，英特尔推出的3D XPoint一直被怀疑是应用了相变合金材料，但是两者一直没有给出正面回应。从产品和设计角度来看，PR A M速度表现令人满意、制造难度也不高，并且有多种设计和实现方案。但寿命方面，PRAM的相变材料可能存在衰减，这也算是一个不利因素。相比之下，PRAM在速度、成本、数据密度方面都可以和N R A M相媲美，其寿命虽然没有那么出色，但是也足够使用。考虑到PRAM近在咫尺的商业化，PRAM应该是NRAM最有力的竞争对手。
将量产—NRAM的前景
由于N R A M的综合性能表现令人满意，因此很快有厂商考虑试产N R A M产品。其中动手最早的就是富士通。富士通造很早之前就已经试产了N R A M产品，因此这次计划采用28n m工艺生产基于D R A M、采用DIMM接口和DDR4标准的存储器。除了富士通外，根据N R A M的研发企业Nantero介绍，目前全球有7家半导体工厂打算试产NRAM产品。
另外，N R A M的市场前景也被人看好。一些媒体和业界观察人士认为，一旦N R A M的价格降低至目前D R A M的水平，那么将很快替代后者成为用户主流选择。现在唯一阻碍这件事情发生的就是价格了，但是价格又受制于规模，这是一个“先有鸡还是先有蛋”的问题：销量够高，成本就低；价格低，肯定销量高。
总的来说，NRAM在综合性能、价格、制造难度和商业化上的表现是数年来新一代存储技术里面最为令人满意的，也是最接近成功的，它的前景也被业内诸多人士看好。现在来看，一旦2018年N R A M商业化顺利，让更多厂商和用户看到它的潜力的话，很可能N R A M将在移动计算设备、P C、工商业等场合迎来一次大爆发，形成对DRAM和NVRAM的正面挑战之势。那么，我们有可能看到DRAM、NVRAM等产品的黯然落幕吗？当然有可能，不过也应该在三、五年以后了。
PRAM架构简图，这是两个PRAM单元，分别是相变前后对比。后记：Nantero与ＮＲＡＭ
在对N R A M的性能和发展前景表示看好的同时，业界对N R A M背后的企业Nantero就有了更多的关注。 N a n t e r o公司成立于2 0 0 1年，在2 0 0 3年，N a n t e r o公司就认为存储芯片将是未来最重要的半导体产品之一，因此逐渐开始将研发目标转向存储产品方向。
2008年，N a n te ro和美国著名的军火企业洛克希德马丁公司签订了知识产权授权许可，当时的N a n te r o拥有超过175项专利，并且有200项正在申请的专利。2013年，Nantero在美国被评为当年十大顶级初创企业。 在产品方面，2009年5月，N a nte ro就已经完成了NRAM的早期样品制造，并将其送上了亚特兰蒂斯号航天飞机，测试芯片的抗辐射性能。随后N a n t e r o不断在N R A M产品上发力，2016年又和富士通结为合作伙伴，共同推出Nantero-Fujitsu联合开发的芯片。目前全球首款商用N R A M芯片预计将在2018年由富士通推出。 研发人员方面，N a n t e r o目前只有大约50多名研发人员，且在硅谷和日本设立了分公司。从体量上来说，N a n te ro是一个非常微小的“麻雀企业”，但是其研发的产品是如此的重要，甚至一旦成熟将有望改变整个计算机业界的产业形态，有望威胁英特尔、三星等巨头的产业地位。
总的来看，N a n te r o是美国千万个微小创新企业中的一颗新星，它依靠美国在高科技和高端产业上的独特地位以及顶尖名校的人才资源，快速发展并迅速壮大，同时也在不断努力冲击科技和工业的高峰。
成立于2011年的Nantero公司主导研发了NRAM