距离中国首次提出泛在电力物联网的概念刚过去一年,通过升级电网基础设施,以大数据、云计算、5G、边缘计算等技术实现传统电网向能源互联网升级,将随着承担“拉动经济”重任的“新基建”而加速,泛在电力物联网在电力系统基础建设中的重要性不言而喻。而作为电力网络化数据采集的唯一设备,智能电表是用户侧泛在电力物联网的基础,智能电表的技术创新可以说从根本上影响着泛在电力物联网行业的发展。

 

针对这波大规模的市场热潮,富士通电子元器件(上海)有限公司产品管理部总监冯逸新近日在一次研讨会上也表示:“智能表计作为富士通长期关注的重点业务,在未来几年具有很大的市场潜力,特别是智能电表行业发展潜力依然看好。”

 

随风而起, FRAM 筑造坚固数据存储

 


电子设计的一个主要考虑因素是降低总功耗的同时提高可靠性。设计人员必须考虑增加功能,同时减少系统的功率预算,以实现更长久的电池寿命。但是与此同时,嵌入式软件正变得日益复杂,需要配备更多的存储器,但这一点对功耗也有了进一步要求。“对于智能表计而言,数据记录及存储是非常重要的。因此,智能表计方案商需考虑挑选合适的存储产品予以应对。”冯逸新指出。中国政府从 2018 年开始对水表进行全面更新换代,也带动了智能水表的技术革新。特别是抄表方案从传统的载波方案逐渐转变为 NB-IOT 平台,对于平台里的采集器和集中器对数据采集和数据传送的无迟延和可靠性也都有了更高的要求。

 

“富士通 FRAM 在智能表计行业已深耕十多年之久,全球表计出货超 1 亿片。针对新一代标准下的智能表计,富士通推出了众多创新型存储产品,如 FRAM 铁电存储器在智能电表行业已经作为标准存储器被广泛采用,在中国、东南亚、欧洲、南美、北美等地区拥有很大的市场占有率。” 冯逸新表示。据悉,威胜集团、海兴电力、林洋能源、Itron、西门子等业界主流的电表供应商都是富士通 FRAM 的客户,无锡聚成、浙江威星、EMERSON、E+H、TEPLOKOM 等全球范围的智能水气仪表主要供应商,也将 FRAM 作为其准确记录和存储关键数据的标准元件。

 


四大关键特性,助力表计产品性能升级

FRAM 的三大优势我们都很熟悉,那就是高速写入、耐久性、以及低功耗,而针对智能表计应用,它还拥有第四大优势——超高的安全性。在物联网时代,企业与消费者对数据保密与安全的认知进一步提升。若遇到黑客违法盗取及分析电表的机密数据,将导致大范围的信息泄露。对此,富士通 FRAM 赋予了智能表计应用的安全性优势,就是防止黑客盗窃或篡改数据。当黑客的篡改事件发生时,低功耗和高速的 FRAM 可以利用给 RTC 供电的小型电池电源,瞬间消去重要数据,从而确保电力用户的信息安全。例如 FRAM 仅需 0.1mA 的工作电流,就能够在 0.3ms 的时间内擦除 256bit 的数据,相比 EEPROM 拥有显著的优势。

 


安全性的第二个表现,则是基于高写入速度。以 256Kb 独立 FRAM 存储器为例,每写入 1Byte 数据,所需时间仅为 150ns。因此,富士通 FRAM 在智能电表应用中带来了关键的优势:掉电保护重要数据。电表使用的重要数据,需要在非常短的间隔(1-3 次 / 秒)里保存在存储器,并确保掉电情况下数据依然完整。对于表计计量和抄表系统而言,维护数据记录的准确性就是防止国家资源流失,从而确保国家能高效完整回收资金。

 


耐久性则是智能表计(特别是集中器)最基本的需求。按照国家电网规定,重要数据必须以 1 次 / 秒的频率实时记录到存储器,按照智能电表 10 年运行周期来计算,存储器需达到写入次数至少为:1*60*60*24*365*10=3.2 亿次。作为非易失性存储器,FRAM 具有接近 SRAM 和 DRAM 这些传统易失性存储器级别的高速写入速度,读写周期是传统非易失性存储器的 1/30000,但读写耐久性却是后者的 1,000 万倍,达到了 10 万亿次,可实现高频繁的数据纪录 (实时的记录)。若按 5ms 一次读写频率来计算,达到 10 万亿次花费的时间是 1,585 年,相当于可以从唐朝写到现在!与之相对, EEPROM 只有 100 万次读写寿命,若按此读写频率,1 个半小时就会报废,更别说只有 10 万次读写寿命的 Flash 了。另外,FRAM 的数据保持时间也极长,在 85℃环境下,可以达到至少 10 年。

 

至于低功耗的优势,则在智能水气表中得以体现。在水表 / 气表系统中,从集中器到每家每户的水表 / 气表,都能够看到 FRAM 的身影。相比于智能电表,市场规律上最明显的差异就是水表、气表必须选用电池供电(且通常一颗电池要用 10-15 年以上),而非电表那样可直接接入电源,因此低功耗成为了水、气表方案最关键的需求。也因此让读写寿命长、功耗极低又利于延长电池使用寿命的 FRAM 实现了极大的差异化优势。以 64Byte 数据写入为例,FRAM 的功耗仅仅是 EEPROM 的 1/440,可以轻松应对实时、频繁存储数据的工作模式,这不仅大大延长了电池寿命降低维护成本,更有助于电池与设备的小型化。

 


完善的存储产品阵列,表计数据存储再添 B 计划

FRAM 的优势虽然明显,但如果单纯使用 FRAM,成本相比 EEPROM 以及 Flash 来说势必是略有升高的。而智能电表,特别是单相电、水、气、热表对方案成本的要求通常非常苛刻,因此如何让产品在保持高性能的前提下进一步降低成本是富士通一直以来面临的挑战。

 

在实际应用中,富士通建议采用超低容量 FRAM (4Kbit)与 EEPROM 并用,帮助实现低成本的电、水、气、热智能表计方案。 “采用 FRAM 与 EEPROM 并用的方案设计可实现智能表计的高可靠性与安全性,并在整体方案架构上省去用于 EEPROM 掉电保护的大电容,从而有效地降低系统整体的 BOM 成本。” 冯逸新表示。为满足用户在低成本和高性能的完美平衡,富士通 FRAM 存储器推出了用于计量模块的 I2C 接口的 3v、5v 电源电压驱动的 4kbit、16kbit、64kbit、128kbit 和 256kbit 的 FRAM 产品,同时推出用于抄表采集器或集中器用的 SPI 接口的 16kbit 到 4Mbit 的多容量的 FRAM 存储器。这些产品最大的优势是高速写入,高写入操作耐久性和高可靠性,适用于智能四表的掉电保护等高可靠性设计要求。

 


“另外,针对工业电表,富士通还可以提供 ReRAM。低功耗和大容量的 ReRAM 是那些以读操作为主,更换电池困难,抄表困难但需长时间保持数据的流量仪表的最佳解决方案。”冯逸新称,“目前第一代产品 4M bit 早已量产之中,第二代产品 8M bit 已经开始供给 ES 样品,未来第三代产品将开发 SPI 2M bit 产品,可用于替代 EEPROM,应用于需要高温操作的工业电表等应用当中。”

 


同时,富士通业已着手开发与试产下一代高性能存储产品——NRAM。其同时继承了 FRAM 的高速写入、高读写耐久性,又具备与 NOR Flash 相当的大容量与造价成本,并实现很低的功耗。在智能表计使用中,一个 NRAM 就可以替代电、水、气、热表中的 Flash、FRAM 和 EEPROM 等所有存储单元,不仅减少了存储器的使用数量,也有利于系统工程师简化设计上的难度。

 


作为 NRAM 的第一代产品,16M bit 的 DDR3+SPI 接口产品最快将于今年底上市,势必引发存储行业的新一轮变革。冯逸新自信地表示:“NRAM 既继承了 FRAM 的高性能,又具有替换 NOR Flash 大容量的特点,我们坚信这必将是一个划时代的存储器解决方案!”

 

总结

“富士通工业级 FRAM 已经量产 20 年之久,积累了非常多量产工艺经验,从 1999 年至今,总共出货达 41 亿颗!” 冯逸新总结道。事实上,除了表计关键数据存储,富士通 FRAM 产品还应用于 RFID、医疗电子、汽车电子等广泛的领域,某种程度上来说,小小的 FRAM 存储器正在广泛赋能各行各业的创新应用!以目前智能表计行业的情况来看,想做到真正的智能化,还需要经历从功能到性能的全面飞跃,从关键数据存储的变革做起实现更多的创新将加速产品和行业的升级。