Nanteroの不揮発性カーボンナノチューブRAM技術の奥深さ

富士通の半導体事業2社は、Nantero社と富士通社の共同開発によりNantero社のNRAM技術のライセンスを取得し、2018年にチップを生産する予定です。これらのチップは、組み込みフラッシュメモリに比べて書き換え速度が数千倍速く、書き換えサイクルも数千倍多くなります。

NRAM（不揮発性RAM）は、カーボンナノチューブ（CNT）技術をベースとし、DRAMクラスの読み書き速度を備えています。Nantero社によると、NRAMは超高密度（具体的な数字は公表されていません）で、NANDをはるかに超える5nmまで拡張可能です。

これは、DRAM の速度と NAND の不揮発性、NAND よりも優れた耐久性、リソグラフィーの縮小の可能性を組み合わせた、初めての実用的な汎用メモリです。

富士通は複数の市場に注力しており、製品開発を進めています。2018年には256Gビットの55nmチップの投入が予定されています。富士通のファブは、後日40nmリソグラフィーに移行する予定です。Nanteroには、28nmリソグラフィーに取り組むファブパートナーが1社あります。

NRAMテクノロジー

CNTの直径は人間の髪の毛の5万分の1^です。この小さな円筒は鋼鉄の50倍の強度を持ち、密度はアルミニウムの半分で、現在科学者が知るどの材料よりも優れた熱伝導性と電気伝導性を備えています。

製造には、少数のプロセスステップと1層のマスク層のみが必要です。CNTの薄膜は、下層のセル選択デバイスと、NRAMスイッチとインターフェースするアレイ配線（通常はトランジスタまたはダイオード）を含むシリコン基板上に堆積されます。薄膜中のCNTは交差しており、接触している場合も離れている場合もあります。

分離（オフ）状態の場合、CNT材料の抵抗状態は高く、「ゼロ」信号となります。接触状態になると抵抗状態は低下し、「1」信号となります。SET（オフからオン、または0から1）は静電動作であり、RESET（オンからオフ、1から0）はCNT接点のフォノン加熱によるフォノン駆動動作です。

Nantero社によると、チップは多層構造（3D）で、セルあたり1ビットまたは2ビットのメモリを搭載できるという。スタンバイモードでは消費電力は実質的にゼロとなる。

NRAMセルは、CNTファブリックの抵抗状態に応じて、2つ以上の抵抗状態をとることができます。すべてのCNTが接触状態から分離状態へ、またはその逆へ切り替わると、SLCフラッシュメモリと同様に1ビットセルになります。しかし、この材料をプログラムすることで、セル内の数百本のCNTのうち、一部のCNTを接触状態から分離状態へ、またはその逆へ切り替えることが可能です。もし、そのCNTのサブセットがセル内のCNTの半分であれば、2ビットセルと4つの抵抗状態を持つことになります。理論的には、3つのサブセットを持つ設計は3ビットセルになります。

この技術は耐久性試験済みで、10の^11乗回（1000億回）のプログラム/消去サイクルが検証されています。信頼性に関しては、85℃で1,000年以上、300℃で10年以上のデータ保持^が可能^です。

そのレイテンシは50ns以下で、Nanteroの共同設立者兼CEOであるGreg Schmergel氏によるとDDR4 DRAMクラスのレイテンシであり、約14nsに相当するとのことです。

データの書き込み時にカーボンナノチューブを数オングストロームだけ動かすだけなので、消費電力はわずかです。

チップは既存のCMOS工場で製造可能です。Nanteroの広報担当者は、「現在、世界中の7つのCMOS工場にNRAMの設計が組み込まれており、新しいツールを必要とせず、同じラインで稼働しています」と述べています。

富士通

富士通セミコンダクター株式会社と三重富士通セミコンダクター株式会社は、富士通の2つの事業部です。Nanteroの支援を受けて製造されるチップは、55nmリソグラフィー技術を採用し、256ギガビットの容量を備えています。富士通セミコンダクターは、2018年末までにNRAMを内蔵したカスタムLSI製品を開発し、その後、スタンドアロンのNRAM製品への展開を計画しています。三重富士通セミコンダクターは、専業ファウンドリーとして、NRAMベースの技術をファウンドリー顧客に提供していく予定です。

富士通セミコンダクターは、1990年代後半から不揮発性RAMの一種であるFRAMの設計・製造に携わっており、FRAMの設計・製造能力を統合的に備えた数少ない企業の一つです。この経験と技術を活かし、NRAMチップの開発・製造に活かすことができるでしょう。

Nanteroは、NRAM DIMMなどのスタンドアロンの不揮発性メモリと、超高速の不揮発性メモリを必要とする組み込み機器という2つの潜在市場を見出しています。スタンドアロン市場には、テラビット規模のポストNANDメモリやギガビット規模のバッファメモリ（ストレージクラスメモリ）が含まれる可能性があります。組み込み市場には、NRAMチップを複数のチップに置き換えてコストを削減できる携帯電話が含まれます。

NRAMとXPoint

昨年6月にNanteroについて最後に記事を書いて以来、3D NANDが注目を集めるようになり、IntelとMicronのXPointメモリ、そして東芝とWD/SanDiskのReRAM技術も注目を集めるようになりました。XPointは、DRAMとNANDの価格性能比のギャップを埋めるリーダー的存在と目されています。

NRAMはXPointよりもはるかに高速で、より高密度化できる可能性があります。Intel Optane DIMMのレイテンシは7～9ms（7,000～9,000ns）程度です。Micron QuantX XPoint SSDのレイテンシは、読み込みで10ms、書き込みで20msと予想されており、それぞれ10,000nsと20,000nsです。

簡単に比較すると、NRAM は約 50ns 以下、XPoint DIMM は 7,000 ～ 10,000ns で、140 ～ 200 倍遅くなります。

価格設定が許せば、XPoint/ReRAM を使用するサーバー システムには DRAM と XPoint/ReRAM の両方が搭載され、NRAM を使用するシステムでは NRAM のみを使用する可能性も考えられます。

NRAMの価格

Nanteroは、特許で保護されたIPを富士通などのファウンドリ事業者にライセンス供与し、ファウンドリ事業者が製造チップの価格を決定します。NRAMの製造は、プロセスステップとプロセスの複雑さの点でXPointよりも大幅にシンプルに見えるかもしれませんが、チップの価格はウェハの歩留まりと需要に左右されます。生産ラインからより多くのウェハを供給できれば、単位コストは低下します。需要が低いため、NRAMの初期製造コストは高くなると予想され、その結果、NRAMチップのコストは相対的に高くなります。

富士通のようなファウンドリ事業者がウェハサイズと歩留まりに関する情報を公開するまでは、私たちは暗闇の中にいる。そして、その事業者は生のチップ、あるいはDIMMまたはBGAに実装されたチップ（つまり、何らかのコントローラとインターフェース回路）をシステムビルダーに販売しなければならない。そして、そのシステムビルダーは、自社のシステムソフトウェアがNRAMを使用できることを確認する必要がある。

NRAMを採用した最初の製品が登場するのは、早くても2019年になると思われます。今後数ヶ月で、さらに多くのNantero NRAMファウンドリパートナーが登場すると予想されます。®