富士通は、Nantero社からカーボンナノチューブベースのNRAM（不揮発性RAM）のライセンスを取得し、2018年に256Mb 55nm製品を市場投入するための共同開発に参加すると発表しました。カーボンナノチューブは、比類のない性能、耐久性、そして極端な温度耐性といった優れた特性により、多くの用途への展開が期待される有望な技術です。カーボンナノチューブはまだ実現の遠い未来の技術と思われがちですが、Nantero社は数年前から実用的なプロトタイプを開発しています。
3D XPointをはじめとする数多くの製品が市場に投入されるにつれ、不揮発性メモリの未来をめぐる争いは激化しています。カーボンナノチューブは独自の特性を併せ持ち、価格さえ適正であれば、他のどの製品よりも優れた性能を発揮する可能性があります。カーボンナノチューブSSDというアイデアは、確かに魅力的です。それでは、詳しく見ていきましょう。
詳細
NRAMは、ベンダーがメモリやストレージ製品の製造に活用できる柔軟な技術です。カーボンナノチューブの真の魅力はDRAMの速度にありますが、DRAMとは異なり、この材料は電源を切っても保存データを保持します。材料自体はピコ秒（1兆分の1秒）単位で状態を切り替えますが、DRAMインターフェースの性能はナノ秒単位（5ナノ秒超）に制限されます。
この「永続的」な機能は、3D XPoint、ReRAM、PCMといった他の新興技術と似ていますが、NRAMは競合製品よりも高い性能を誇ります。他社製品も耐久性の閾値が限られているのに対し、NanteroのNRAMは10^12（1兆）サイクルまでテストされています。同社はその時点で耐久性テストを中止したため、上限は未定義のままです。実用的な用途、そして非実用的な用途でさえ、耐久性は実質的に無制限であると考えて間違いないでしょう。
耐熱性は耐久性の計算において重要な要素ですが、NRAMは800℃までの温度に耐えることができます。ただし、同社は現行バージョンをアクティブ状態（データ要求を満たす状態）で200℃までしかテストしていません。仕様書によると、NRAMは85℃で1,000年以上、300℃で10年以上、保存データを保持します。
仕組み
NRAMのカーボンナノチューブの直径は2nmです。NANDと同様に、製造工場ではこの材料を個別のセルに配列します。NANDは電子を用いて各セルに保持される2進値（1または0）を表し、最小のリソグラフィーではセルあたり約12個の電子を保持します。NRAMはセルあたり数百本のカーボンナノチューブを使用し、電流を流すとチューブ同士が引き合ったり反発したりすることで、「オン」または「オフ」の状態を表します。NRAMは、フォノン駆動技術を用いてナノチューブを振動させ、互いに引き離すことでセルを消去（リセット）します。NRAMは電流を反転させることでリセット処理を開始し、競合メモリよりも電力効率が高いと言われています（特にアイドル状態では電力を全く必要としません）。
この技術は現在、セルあたり1ビットを記憶します。しかし、電圧を変化させることで、（各セル内の）一部のナノチューブグループが互いに接触し、他のグループは接触しなくなります。これにより、セルあたり複数ビットの記憶が可能になり（MLC NANDやTLC NANDと同様に）、密度が向上します。Nanteroは、垂直3D配置への道も見据えています。NANDと同様に、NRAMはリソグラフィの微細化（5nm未満を予測）や3D多層構造によって密度を拡張できます。また、ファブでは、ワイヤボンディングやTSV技術を用いてNRAMダイを積層することで、高密度パッケージを作成することもできます。
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シリコンを回転させる
この技術は驚くほどシンプルに製造できます。通常のウエハー上にカーボンナノチューブの薄い層をスピンコートし、それを2層のインターコネクト層で挟むだけです。インターコネクト層はクロスポイント方式を採用しています。セルを大きなブロック単位で消去する必要があるNANDとは異なり、NRAMはビット単位でアドレス指定可能です。各ビットを個別にプログラムおよび消去できるため、驚異的なパフォーマンスを発揮し、メモリとしてもストレージとしても動作可能です。これらの製品はDDR4インターフェースを介して通信するため、実際には基盤となるメディアのパフォーマンスが制限されますが、理論的にはNVMeなどの他のプロトコルを介して通信することも可能です。
製造プロセスでは、標準的なCMOSウェハー上に通常のリソグラフィーおよびエッチング技術を採用しています。実際、Nanteroは、特許取得済み（175件以上、現在も増加中）のCMOS互換プロセスを有する唯一の企業であると主張しています。この容易なCMOS製造技術は、高額な設備更新を必要とせず、多くの有望な技術の市場投入を阻む経済的なハードルを克服します。
市場への道
富士通は、この技術の製造を発表した最初の企業です。Nantero社は、他に6つの（未発表の）ファブと提携しており、そのうちのいくつかは既にDRAMよりも高密度な「マルチGB」製品を可能にする28nm 3D設計を開発中であると述べています。Nantero社は、パートナー企業がこれらの製品を近日中に発表すると示唆しています。同社は他に12社（詳細は未発表）の顧客を抱えていますが、Nantero社は技術のライセンス供与のみを行っているため、詳細は明らかにできません。
この新技術は、極めて高い耐久性と耐熱性を備えており、SoCやプロセッサの組み込みキャッシュとして非常に有望です。石油・ガス掘削ヘッドに使用される部品など、他にも多くのアプリケーションで極端な温度耐性が求められます。当然のことながら、世界最大級の石油・ガス探査会社であるシュルンベルジェ社は、この技術に多額の投資を行っています。
2001年に事業を開始したナンテロ社は、複数の実用的なプロトタイプを開発し、2009年のスペースシャトル・アトランティス号ミッションでその技術を宇宙に打ち上げました。独立した第三者機関による試験はすでに実施されており、ナンテロ社の主張に信憑性を与えています。
成功への鍵
価格設定は常に成功の鍵となる要素であり、Nantero社は最先端製品はDRAMの半分のコストで出荷され、生産量の増加やベンダーによるリソグラフィーの微細化、積層数の削減に伴い価格が下落すると予測しています。また、高密度化によって、この技術はより幅広いアプリケーションに浸透するでしょう。
IntelとMicron（IMFT）の競合技術である3D XPointは市場投入にかなり近づいていますが、価格設定は依然として不透明で、高価な新たな製造技術とツールが必要になるため、市場投入には不利です。また、3D XPointはIMFTアライアンス独自の「専用」技術であるのに対し、Nanteroは様々なファブに自社技術のライセンス供与を喜んで行っています。NRAMが短期的に3D XPointの強力な競合となるかどうかは疑問ですが、3D XPointはまだ市場に出ておらず、価格面でも大きな課題に直面していることを考えると、今後数年間は脅威となる可能性があります。
重要なのは、カーボンナノチューブ製品が研究室を飛び出し、生産工場へと飛躍的に普及したことです。初期の製品は、組み込みキャッシュやストレージクラスメモリといった高度に特殊化された用途に特化しています。価格が適切であれば、この技術は将来、SSDなどのより身近なデバイスにも浸透していくでしょう。
ポール・アルコーンはTom's Hardware USの編集長です。CPU、ストレージ、エンタープライズハードウェアに関するニュースやレビューも執筆しています。
