說起石墨烯、碳納米管這樣的産品，人們普遍會将它們和“黑科技”、“高性能”等詞彙聯系起來。在一般的研究者眼中，諸如石墨烯、碳納米管這樣的産品，雖然研究潛力巨大，但和我們目前的産品、應用距離還是比較遙遠，短期内不會進入日常生活。但是，近期對碳納米管的研究發現，碳納米管和相關材料在存儲設備上的使用，可能會徹底改變目前以DRAM、SRAM為主的存儲産業結構。這就是今天的主角—NRAM，全稱為Nano-RAM納米存儲器。它的商業化能力和産業前景，已經有望支撐起一個全新的産業鍊了。
NRAM的結構—碳納米管領銜
一般來說，數據1和0的存儲在産品實現中一定會轉換成一種可檢測的、有顯著差異且容易改變的物理狀态。一般人們會用電壓、電阻或者其他更複雜狀态的差異來表示0或者1、或者其他類似數據。舉個例子，我們熟悉的DRAM、SRAM實際上都是利用特殊結構，将電子困在指定的區域中，通過調節區域内電子的數量改變線間電壓的差值，進而表征數據狀态—比如設定高電壓是1、低電壓是0。進一步擴大的話，如果這種存儲單元有四個不同的物理狀态且容易改變，那麼從最高電壓、中高電壓、中低電壓到低電壓的四種狀态，就分别是11、10、01、00—這也是目前MLCFlash顆粒（非易失性存儲器，和DRAM基本原理不同，但存儲結構相似，具有一定可比性）的原理，能夠在一個單元内實現更多的數據存儲。
碳納米管的優勢來源于其獨特的物理結構。在研究中，人們還發現了一種利用碳納米管導電特性的方式：如果碳納米管以交叉方式分布的話，交叉碳納米管的接觸和分離，能夠改變整個系統的電阻特性。舉例來說，理想條件下，如果兩根碳納米管以十字形态排列分别形成X線和Y線，當兩個碳納米管輕微接觸時電阻就會大大降低，電流即可流過，此時可以定義為“On”，也就是數據“1”；如果這兩根碳納米管分開，電阻就會大幅度加強，電流就受到阻礙，此時可以定義為“OFF”，也就是數據“0”。十字形交叉的優勢在于X線和Y線可以分别對應傳統的字線和位線，再加上控制線，就可以兼容傳統的控制單元，實現數據的讀寫擦除和選擇。
好了，這樣一來存儲器的雛形就出現了，至少有一種方法能夠實現碳納米管對數據的存儲。下面就需要采用一種特殊的方法來控制這種狀态的變化了。下一頁的兩張圖表示了一個NRAM的結構。
其中第一張圖展示了NRAM一個單元的正視圖的結構。其中引人圖則展示了一個NRAM單元的電路基本結構原理圖。CNT也就是碳納米管“織物”區，就像一個不斷導通、關閉的開關那樣，電阻不斷地在高和低中間變化，就可以實現數據的存儲。
NRAM的基本原理簡圖
NRAM的工作原理簡圖
TIPS小知識：什麼是碳納米管？
碳納米管結構示意圖
碳的各種同素異形體，包括鑽石、石墨烯、富勒烯、碳納米管等。
制備完成的碳納米管照片，可見條形結構。碳納米管，理想情況下是一種具有圓柱形納米結構的碳的同素異形體。從空間結構上來說，碳納米管看起來像中空的管子，不過管壁是由碳原子的六邊形結構延展而成。一些科學家認為碳納米管是二維石墨烯平面卷曲而成，因此碳納米管在很多性質上和石墨烯有共通之處，比如強度極高、導電性能出色、硬度大等。
理論上的碳納米管是如此的完美，但實際上人們制造的産品包含了大量“不純”的碳納米管，比如多壁碳納米管、夾雜了五邊形或者七邊形結構的碳納米管等，這導緻實際制備的碳納米管的性質要比理論中的碳納米管性質差不少。不僅如此，碳納米管的性質測試往往使用單個或者少量碳納米管完成，一旦大量的碳納米管在一起聚集後，容易由于各向異性而削弱碳納米管的性質，使得碳納米管表現不出足夠的性能優勢。因此，未來如何制作純度更高、性能更好的碳納米管，是一個非常值得關注的問題。
另外，碳納米管在生物安全性上也有一定的問題。比如碳納米管可能存在緻癌風險、緻畸風險等，還需要進一步的實驗和研究才能确定。
那麼NRAM是如何做到電阻高低變化的呢？我們知道，當碳納米管接觸在一起時，由于兩者之間具有高達5eV範德華力的存在，兩根碳納米管并不容易分開；當碳納米管沒有接觸在一起時，由于具有楊氏模量高達1TPa的剛度的存在，碳納米管并不容易自動接觸。因此，這兩種狀态在沒有外界幹擾的情況下，是穩态，所以NRAM可以呈現非常好的非易失性。所謂控制，就需要在這兩種狀态之間轉換，這種轉換主要作用在上一段曾提到的碳納米管控制部分的上下兩端電極上：
1.當NRAM單元處于0的狀态，也就是碳納米管是“分離”狀态、電阻較大時，在頂部和底部電極之間施加高于讀取電壓的“低”電壓時，将帶來碳納米管之間的靜電效應導緻縱橫的碳納米管“織物”導通，從而成功改變狀态，降低了電阻，從“0”變成“1”。
2.當NRAM單元處于1的狀态，也就是碳納米管是“導通”狀态、電阻較小時，施加一個高于讀取電壓的電壓（比上文的“低”電壓要顯著的高），将産生具有足夠能量的CNT聲子激發，從而使得碳納米管分開，呈現不導通狀态，因此提高了電阻，從“1”變成“0”。
通過上文的描述，大家應該大概了解了NRAM的結構和讀寫過程。這個過程看起來并不複雜，在本文之前的舉例中，碳納米管都是以比較“單純”的情況出現的，比如在舉例“1”和“0”的碳納米管實現方法上，就單獨使用兩根碳納米管。不過實際情況并沒有這麼簡單。
從前一頁的碳納米管照片也可以看出，受制于工藝等問題，實際NRAM所使用的碳納米管并不是兩根或者幾根碳納米管，而是一堆碳納米管組成的一個“織物”。這樣一來，雖然也能夠實現碳納米管的導通和非導通，但是肯定有部分碳納米管無法很好地完成這個工作，因此不能實現絕對化的絕緣或者非絕緣，實際應用中使用的是電阻的差值。從另一個角度來看，一堆複雜的碳納米管“織物”反而帶來一個不錯的思路：由于碳納米管“織物”有可能呈現從接近絕緣到不絕緣的多種狀态，隻要此差值足夠大的話，NRAM甚至可以實現多個中間态，也就是說一個NRAM單元有可能存儲多位數據，且由于這樣的存儲并不會帶來電子損耗或者其他的磨損等問題，其壽命和單數據存儲的NRAM完全相同（當然可能存在讀寫速度較慢等問題），無疑能大幅度降低存儲設備的成本，使得NRAM能夠更快地走入千家萬戶。
說完了基本原理和結構，再來看看NRAM的制造。目前我們看到的NRAM都屬于第二代NRAM技術。和第一代基于三端半導體器件（俗稱三極管，其中第三級用于切換不同的存儲區塊）的NRAM不同的是，第二代NRAM是一種基于雙端半導體器件的存儲單元。這種單元的優勢在于結構上更為緊湊，和制程工藝匹配也比較容易，更容易在20nm及以下的制造工藝上完成。從工藝角度來看，NRAM完全兼容目前的CMOS工藝，它的主要問題在于如何将碳納米管和目前的晶圓工藝相結合，目前這個問題解決得也比較成功。在底層通孔和金屬層布置完成後，碳納米管層可以通過化學或者其他方法均勻沉積在晶圓上，再在碳納米管層上方覆蓋金屬層形成控制單元。由于工藝方面實現難度不大，NRAM的重要合作方富士通已經準備着手NRAM的量産了。
TIPS：聲子是什麼？
聲子是一個複雜的概念，它的英文為Phonon，是晶格震動的減震膜能量量子。簡單來說，聲子并不是一種粒子，而是指一種狀态，就像光量子用于描述光波的量子化那樣，聲子是用于定義固體内震動的傳播，類似固體傳播的離散化定義。在這裡我們無須深入糾結聲子的概念，隻要知道更高電壓能夠分離碳納米管，使得電阻減小即可。注意的就是“三明治”結構的碳納米管控制部分，它的上下兩層分别是電極，中間為碳納米管“織物”。從右下方的頂視圖來看，所謂的碳納米管“織物”，是指大量存在方向性的碳納米管“交織結構”，大量的碳納米管在這個區間内縱橫交錯。第二張
NRAM基本單元圖。圖中BL是位線、WL是字線、SL是選擇線。
NRAM的優勢總結
NRAM樣品示意圖令人驚喜的特性—NRAM的速度、密度、功耗、安全和價格
在這一部分，本文将詳細介紹NRAM的基本性能和特性。當然，目前NRAM的産品尚未上市，對于速度、功耗等，需要在相應的制程下才能充分體現。同時大量的性能和特性隻能從其原理推論而出，等到具體産品上市後，NRAM還會接受廠商和用戶充分的檢驗，那時候我們才能清晰看到NRAM的性能表現。
首先來看速度。根據NRAM研發方Natero公司的描述，NRAM的速度大約是DRAM的100倍左右。從原理來看，DRAM是依靠電流不斷刷新來維持電容内電子從而存儲數據的，其響應時間在ns級别。從NRAM的原理來看，在施加電壓後，碳納米管如果能以很快的速度（甚至瞬态）轉變狀态的話，NRAM是有可能将響應時間進一步降低的，畢竟DRAM的電容還有充電時間，目前的數據宣稱NRAM響應時間在皮秒級别。因此，NRAM有希望用作CPU核心的緩存，同時大幅度擴充容量，提高系統性能。謹慎的估計是，首批NRAM的性能應該能夠做到和同期DRAM持平，随後會不斷調整工藝和結構達到更好的性能。
接下來看數據密度。理論上NRAM和DRAM的數據密度是相近的，因為它們的結構都不複雜，在制造上難度近似。不過，在更新的工藝下，DRAM可能存在瓶頸。因為新工藝雖然不斷縮小線寬和晶體管體積，實際上也在縮小DRAM所使用的電容體積，使得可以存儲的電子數量大幅度降低（這也是NVRAM也就是Flash存儲的核心問題之一）。但是NRAM對這個問題的敏感度就大大降低，因為它檢測的是材料的電阻值。從可探測性角度評價的話，電阻值的變化相比電容值或電子空穴對體積的要求低得多。NRAM已經在布局5nm甚至更先進工藝下的芯片制造了，更新的工藝無疑會大大地提高NRAM的數據密度。另外，在單元多數據的問題上，比如MLC、TLC等，NRAM在理論上也是可以實現的，并且也不會顯著影響壽命。因此，在數據密度方面，NRAM至少不會落伍，并且有望變得更為出色。3D工藝方面，NRAM本身結構也比較簡單，能夠比較輕松地兼容3D工藝，再次大幅度提高數據密度。
第三則是功耗。功耗是NRAM的先天優勢。其中最顯眼的一點就是由于NRAM本身是非易失性的，因此不需要刷新就可以保存數據，這降低了絕大部分靜态電流。要知道CPU中大量的面積和能耗都用于SRAM組成的Cache存儲和刷新數據，NRAM在這一點上呈現出完勝的态勢。另外一點則是讀寫時的功耗，目前NRAM的讀取功耗很低，寫入功耗根據不同狀态有所不同，但是考慮到寫入時間非常短，寫入功耗表現應該也不會太高，瞬态應該不會高于DRAM和NVRAM，官方數據是NRAM的每位寫入功耗比閃存低160倍。綜合來看，由于非易失性和較低的寫入功耗，NRAM的表現令人滿意。
第四則是數據安全和壽命。這是NRAM的獨特優勢。因為NRAM的結構決定了碳納米管的狀态變化隻能由闆間電壓引起，數據存儲也是由電阻表征，這兩個特性都不像DRAM的電容和NVRAM的電壓那樣容易受到影響，因此NRAM在抗磁性、抗輻射方面表現非常優異。另外，NRAM能夠最高在300攝氏度的溫度下保存數據最多十年，在85攝氏度下保存數據高達1000年。抗震性能也和所有的固态存儲器一樣，極為優異。讀寫壽命方面，Natero的數據顯示NRAM寫入周期高達10的12次方，讀取周期高達10的15次方，同時日本中央大學的研究人員宣稱NRAM的寫入壽命高達約10億次—無論哪個數據，在應用角度幾乎都可以看作是無限的了。
第五則是價格問題。從高科技産品的發展角度來看，早期産品的價格肯定是遠高于市場同類型産品的，至少在性價比上一般都不會體現出什麼優勢。随着技術進一步成熟和産能擴大，産品的價格才會出現松動而大幅度降低。從這個規律來看，NRAM在早期價格應該會比較昂貴，富士通計劃推出DDR4規範的NRAM存儲顆粒，随後還會涉及到其他設備尤其是手機等産品。粗略估計NRAM如果能夠順利推廣的話，在其大規模上市後兩到三年才會形成明顯的規模效應，價格将有機會大幅度降低。
FRAM架構簡圖，可見和NRAM有一些類似。
MRAM架構簡圖，可見磁極方向。拼殺—和其他新一代存儲器産品的比較
在之前的介紹中，本文主要将NRAM和DRAM以及NVRAM這樣已經上市很久的存儲器進行了對比。實際上，目前除了NRAM外，還有其他在研或者已經推出的新一代存儲器産品。比如FRAM鐵電存儲器、MRAM磁阻随機存儲器、PRAM相變存儲器等。和這些産品相比，NRAM優勢是否還那麼明顯呢？
首先來看FRAM。FRAM的結構和NRAM有相似性，但使用的是鐵電層實現非易失性和數據存儲，這種設計帶來了FRAM的低功耗、高性能和長耐久性，不過也帶來了FRAM目前所面臨的低數據密度、存儲容量限制和高成本。比如FRAM隻嘗試過130nm工藝，更先進的工藝則沒有完成。性能方面，FRAM和DRAM基本相當，競争優勢不夠明顯。顯然，和FRAM相比，NRAM處于完勝的狀态。
MRAM是利用磁極變化來存儲數據的存儲器，結構經過了重新設計以适應新的存儲原理。不過，這也導緻了MRAM存在數據密度不夠高（目前隻在180nm生産工藝下完成制造）等問題，也有一些未經核實的資料宣稱MRAM和DRAM數據密度相當。功耗方面，MRAM表現出色，幾乎無可挑剔。性能方面，MRAM的性能和SRAM比較接近但是沒有超越SRAM。比較之下，NRAM在存儲密度上要更有優勢一些，而工藝制造上MRAM則要比NRAM更為複雜。但是性能方面，理論上NRAM比MRAM更出色，當然實際表現尚不能确定。MRAM目前的問題在于制造和數據密度，如果能解決得很好的話，應該是一個不錯的産品。
PRAM是美光和英特爾的主要研發對象，英特爾推出的3DXPoint一直被懷疑是應用了相變合金材料，但是兩者一直沒有給出正面回應。從産品和設計角度來看，PRAM速度表現令人滿意、制造難度也不高，并且有多種設計和實現方案。但壽命方面，PRAM的相變材料可能存在衰減，這也算是一個不利因素。相比之下，PRAM在速度、成本、數據密度方面都可以和NRAM相媲美，其壽命雖然沒有那麼出色，但是也足夠使用。考慮到PRAM近在咫尺的商業化，PRAM應該是NRAM最有力的競争對手。
将量産—NRAM的前景
由于NRAM的綜合性能表現令人滿意，因此很快有廠商考慮試産NRAM産品。其中動手最早的就是富士通。富士通造很早之前就已經試産了NRAM産品，因此這次計劃采用28nm工藝生産基于DRAM、采用DIMM接口和DDR4标準的存儲器。除了富士通外，根據NRAM的研發企業Nantero介紹，目前全球有7家半導體工廠打算試産NRAM産品。
另外，NRAM的市場前景也被人看好。一些媒體和業界觀察人士認為，一旦NRAM的價格降低至目前DRAM的水平，那麼将很快替代後者成為用戶主流選擇。現在唯一阻礙這件事情發生的就是價格了，但是價格又受制于規模，這是一個“先有雞還是先有蛋”的問題：銷量夠高，成本就低；價格低，肯定銷量高。
總的來說，NRAM在綜合性能、價格、制造難度和商業化上的表現是數年來新一代存儲技術裡面最為令人滿意的，也是最接近成功的，它的前景也被業内諸多人士看好。現在來看，一旦2018年NRAM商業化順利，讓更多廠商和用戶看到它的潛力的話，很可能NRAM将在移動計算設備、PC、工商業等場合迎來一次大爆發，形成對DRAM和NVRAM的正面挑戰之勢。那麼，我們有可能看到DRAM、NVRAM等産品的黯然落幕嗎？當然有可能，不過也應該在三、五年以後了。
PRAM架構簡圖，這是兩個PRAM單元，分别是相變前後對比。後記：Nantero與ＮＲＡＭ
在對NRAM的性能和發展前景表示看好的同時，業界對NRAM背後的企業Nantero就有了更多的關注。Nantero公司成立于2001年，在2003年，Nantero公司就認為存儲芯片将是未來最重要的半導體産品之一，因此逐漸開始将研發目标轉向存儲産品方向。
2008年，Nantero和美國著名的軍火企業洛克希德馬丁公司簽訂了知識産權授權許可，當時的Nantero擁有超過175項專利，并且有200項正在申請的專利。2013年，Nantero在美國被評為當年十大頂級初創企業。在産品方面，2009年5月，Nantero就已經完成了NRAM的早期樣品制造，并将其送上了亞特蘭蒂斯号航天飛機，測試芯片的抗輻射性能。随後Nantero不斷在NRAM産品上發力，2016年又和富士通結為合作夥伴，共同推出Nantero-Fujitsu聯合開發的芯片。目前全球首款商用NRAM芯片預計将在2018年由富士通推出。研發人員方面，Nantero目前隻有大約50多名研發人員，且在矽谷和日本設立了分公司。從體量上來說，Nantero是一個非常微小的“麻雀企業”，但是其研發的産品是如此的重要，甚至一旦成熟将有望改變整個計算機業界的産業形态，有望威脅英特爾、三星等巨頭的産業地位。
總的來看，Nantero是美國千萬個微小創新企業中的一顆新星，它依靠美國在高科技和高端産業上的獨特地位以及頂尖名校的人才資源，快速發展并迅速壯大，同時也在不斷努力沖擊科技和工業的高峰。
成立于2011年的Nantero公司主導研發了NRAM