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一文讀懂NRAM技術 NRAM原理大揭祕

電子設計 2021-01-12 16:03 次閲讀

近日,人工智能在眾多公共衞生領域的大顯身手不斷吸引着人們的目光。CT影像智能分析系統、智能配送機器人等人工智能技術及產品發揮着極大的作用,在它們背後,都少不了高性能存儲器的身影。

而隨着“新基建”的不斷升温,業界對於更高性能存儲器的需求也越發迫切。存儲技術未來會是什麼樣的選擇方向和創新的趨勢呢?

NRAM原理大揭祕

在固態硬盤問世之初,外界對其穩定性曾經有過嚴重的擔憂。經過證明,固態硬盤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。但問題在於,它們所使用的NAND閃存會產生損耗:在NAND閃存當中,數據是使用電荷進行保持的,後者會被用來判斷某段內存當中所包含的是0還是1。在使用過程當中,用來固定電子的絕緣層會產生損耗,並最終影響內存值判斷的準確性。

不過現在,一種名為NRAM的新技術或可取代現有的NAND閃存,為固態硬盤帶來近乎無限的使用壽命。NRAM的工作方式有所不同,它由碳納米管層所製作而成,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絡組成,其工作原理與其他非揮發性RAM技術相同。相互不接觸的碳納米管呈現高電阻狀態,代表“關閉”或“0”狀態;當碳納米管相互接觸時,它們呈現低電阻狀態,代表“開啓”或“1”狀態。

納米管的耐久度極高,可實現幾乎無限的讀寫循環。它們還具備耐熱、耐寒、抗電磁干擾和輻射的能力,而這些對於NAND或其他任何存儲介質都是非常危險的。與此同時,它們的數據讀寫速度也非常快,可達到DDR4通道的飽和值。在問世之後,這項技術或許不會對於消費級固態硬盤產生直接、明顯的影響。但對於數據中心和超級計算機來説,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,該技術基於排列在交叉點電極之間的薄層中的無規組織的碳納米管的漿料——當施加電壓時,CNT被拉到一起,接觸點數量的增加減少了電極之間的電阻路徑,這種連接是由範德華力在原子級上保持的。為了復位存儲單元,電壓脈衝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。這些用於保護開關納米管的下層免於金屬從上方濺射的金屬遷移。

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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,並具有10^11個週期的耐久性。這證明了基於CNT的NRAM可能優於競爭對手技術(例如ReRAM和相變存儲器),並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成立於2001年,其發展之路一直很艱難,儘管如此,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CFTCapital(這是由中芯國際註冊成立的中國風險投資公司)。最近,該公司增加了GlobespanCapital、CRV、DraperFisherJurvetson和StataVenturePartners

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勢:

·可應用於任何系統,NRAM不但是非易失性存儲器,又具有與DRAM同等的高速特點;·可實現instanton(即開即用)功能,降低功耗的同時提高了系統的性能;·適應於逐漸增長的高温環境市場需求。

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總結NRAM技術特點:

·第一讀寫的速度比較快,讀寫耐久性比NORFlash高於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度時可達10年;

·第三是低功耗,待機模式的功耗接近於零。

·還有無限的擴張性,FRAM突破不了100個納米,一般NORFlash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不但可以做數據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。而就競爭格局來説,NRAM在高温操作、數據保持、高速讀寫上都比傳統存儲器更具優勢,未來NRAM有望替換大容量EEPROM(容量低於8Mb)和小容量NORFlash(容量大於16Mb)。

目前,針對獨立NRAM和嵌入式NRAM的產品開發項目正在進行中。正在尋求獨立NRAM的三個目的:用於DRAM替換,用於NAND閃存替換以及用於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)。

針對企業儲存、企業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,更有利於在這領域的產品中實現新一波的創新。預計未來受到影響的應用涵蓋消費性電子領域、行動運算、物聯網(IoT)、企業儲存、國防、航天以及車用電子等行業。

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存領域的應用。許多應用都是直接相關的,如化學傳感器RFID中繼器等,但也有幾個應用專用於先進材料,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點。而從商業的角度來看,它也是相當有價值的IP。

2016年富士通和USJC公佈,與Nantero企業達成共識受權該企業的NRAM技術性,三方企業自此相互着眼於NRAM運行內存的開發設計與生產製造。

Nantero決定授權這項技術,而非獨自發展,可説是推動NRAM向前進展的關鍵。這讓Fujitsu得以加速使該技術導入製造,隨着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品開發的負擔。作為NRAM的第一代產品,富士通16Mbit的DDR3SPI接口產品預計將於2021年前後上市。

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,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開發了賽道內存;英特爾、IBM和Numonyx都開始生產相變內存;自1990年代以來,磁阻內存(MRAM)一直在開發中;惠普和海力士在開發ReRAM也被稱作憶阻器;英飛凌在開發CBRAM。

NRAM的另外一個競爭對手是3DXpoint內存,英特爾和美光都推出過相關產品。美光將以QuantX商標銷售3DXpoint內存(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存芯片,與DRAM相比,它速度、生產成本低,但速度遠快於NAND。NRAM應當優於3DXpoint,後者磨損快,寫入速度遠慢於讀取速度。

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目前NRAM生產成本約為DRAM一半,隨着存儲密度的提高,生產成本也將下降,這與NAND芯片產業相似,NRAM等替代性技術很有可能達到很高銷量。之後,它會挑戰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。

BCCResearch預計,全球NRAM市場將從2018年到2023年實現62.5%的複合年成長率(CAGR),其中嵌入式系統市場預計將在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BCCResearch的研究報告中所指出的,有關NRAM技術的消息已經好幾次登上媒體頭條了,儘管譭譽參半,但該報告的作者們預計,這項技術的重大進展將直接挑戰目前根深蒂固的計算機內存技術。

25年來,內存產業一直在等待更好的技術出現。從某方面來説,NRAM更像是一種『遲到總比缺席好』(betterlatethannever)的技術,但這也反映出產業對於變革的渴望。

雖然許多業界專家已經放棄等待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刻來臨。相較於其他的內存技術,NRAM的發展路徑十分獨特,傳統的內存技術並沒有像NRAM這樣的發展過程。從硅到碳,意味着必須額外負擔更多,但目前已有幾家公司開始探索CNT內存了,IBM就是其中之一。
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低頻喚醒性價比和性能最優秀芯片Si3933,完美pin對pin兼容AS3933及GC3933