市场经济下每一个技术领域的竞争都是一场丛林法则的生动演绎。随着物联网和大数据等新兴应用的爆发增长,存储器领域的丛林法则年年都在上演“生动”的故事。不过,在存储领域却有一种技术过着一种与“主流”无争的日子,在嵌入式系统关键数据存储领域默默耕耘二十年,凭借高读写耐久性、高速写入和超低功耗的独特特质,近年来在 Kbit 和 Mbit 级小规模数据存储领域开始风生水起,在各种应用领域频频“露脸”并大有斩获,这就是铁电存储器 FRAM
 
FRAM 的非易失性对于当时业界可以说是颠覆性的,存储器的非易失性指在没有上电的状态下依然可以保存所存储信息的特性,这意味着电路中无须加入后备电池,仍可在偶发断电时保存重要数据,因此一经推出即备受关注。而当谈及 FRAM,往往无法避开这一家半导体厂商,它就是——富士通半导体。
 
图 1:FRAM 存储的三大关键优势。
 
从非主流到“网红”,37 亿出货量让 FRAM 无处不在
FRAM 技术堪称出身“寒门”——最初的 FRAM 器件几乎集中在 Kbit 量级,有限的容量和并不低的价格导致早期仅仅局限在工业三相电表等少数应用领域的绝对“非主流”,1999 年其销量仅 3M 片。在不久前的一次活动中,富士通电子元器件(上海)有限公司产品管理部总监冯逸新告诉笔者,富士通早在 1995 年已开始研发 FRAM 存储器,至 1999 年成功量产推向市场,迄今已有 20 年的量产经验,出货量累计更是达到惊人的 37 亿颗,涉及的领域几乎覆盖所有主要领域,堪称存储界的“网红”!
 
经过市场的长期广泛验证以及技术的不断突破,富士通 FRAM 产品已成功应用于智能卡及 IC 卡等卡片领域、电力仪表及产业设备等工业领域,医疗设备及医疗 RFID 标签等医疗领域。近些年来,IoT 以及汽车电气化等趋势不断涌现,富士通进一步推出更低功耗、或者车规级的 FRAM 产品,适应物联网设备、汽车电子等行业发展,为客户提供高质量、高可靠性的解决方案。
 
图 2:富士通 FRAM 产品出货量累计已超过 37 亿颗
 
独特性能成就技术“硬核”,FRAM 是存储界的实力派。冯逸新信心十足地指出,富士通 FRAM 具备三大主要优势:高读写入耐久性、高速写入以及低功耗,这是绝大多数同类型存储器无法比拟的。其中,FRAM 写入次数寿命高达 10 万亿次、而 EEPROM 仅有百万次(10^6)。同时,富士通 FRAM 写入数据可在 150ns 内完成、速度约为 EEPROM 的 1/30,000,写入一个字节数据的功耗仅为 150nJ、约为 EEPROM 的 1/400,在电池供电应用中具有无与伦比的优势。
 
图 3:与主要竞争技术对比,FRAM 优势突出。
 
实现如此优越的性能,这与富士通 FRAM 深厚的技术积累以及采用独特的 PZT 晶体结构不无关系。冯逸新解释称:“富士通 FRAM 在晶体点阵中有锆或钛离子两个稳定点。当加置电场时就会产生极化,锆 / 钛离子在晶体中即向上或向下移动。即使在不加置电场的情况下,也能保持电极。此时,两个稳定的状态就以“0”或“1”的形式存储,这就是 FRAM 的工作方式。同时,积累 20 年的量产经验,富士通 FRAM 的生产制造技术不断完善,确保了稳定、可靠、持续的供货!”
 
图 4:富士通 FRAM 独特的 PZT 晶体结构与工作原理
 
“通吃”新兴领域, FRAM 多路“掘金”
如果说技术是产品的内在基础,那么案例就是产品的外在背书。在过去的一年,富士通 FRAM 在各个领域的市场推广中取得不俗的进展。据悉,在汽车电子领域的 BMS 应用,整车厂如吉利汽车日前已决定采用富士通 5V 64Kbit SPI 的 FRAM 产品用于其自主研发 BMS 系统中。同时,给东风、金龙、宇通、上汽通用五菱、华晨宝马、一汽、御捷、江淮、奇瑞等整车厂提供 BMS 的 Tier-1、Tier-2 等诸多厂商,也正在采用或即将采用富士通 FRAM 产品。此外,业界知名的一家意大利 FI 轮胎制造厂商亦采用富士通 FRAM 产品用于胎压监测。凭借高耐久性、高速写入、高可靠性的特性,与通过车规级认证的产品优势,富士通 FRAM 成为赋能关键型汽车应用的外挂存储器首选。
 
 
图 5:富士通车规级 FRAM 在汽车电子场景广泛应用

 

 
除了车规级 FRAM 产品赋能汽车电子应用外,富士通 FRAM 具备高烧写耐久性以及低功耗等特性,适用于系统网关(Gateway)中记录与存储重要的数据。在物联网系统中,往往需要每 1 秒或 2 秒即实时、连续地存储终端数据,且系统同步将终端数据发往后台服务器,加上系统多数采用长寿命电池供电的方式,故低功耗是整个系统不可或缺的要素。冯逸新表示:“广州一家客户目前采用富士通 FRAM 产品应用于智能抄表系统。这一抄表系统可用于大学等集体宿舍的水、电、煤气用量记录,提高抄表效率与准确性。富士通 FRAM 的写入寿命达到 10 万亿次,按照 1 秒写入 1 次数据,可满足抄表系统长达 10 年的数据写入需求,因此备受这一类客户的青睐。”
 
图 6:富士通 FRAM 在网关 Gateway 中的应用框图
 
特别指出的是,高可靠性 FRAM 更是适用于高端医疗领域的为数不多的电子产品之一。例如,当今医院的手术器具、注射器具已经加入电子标签,用于追踪运输、使用、处理、消毒等完整记录。这些器具在消毒时需要伽玛射线进行特定剂量、特定时间的照射,而能够抵抗高剂量伽玛射线照射消毒的电子标签存储器目前仅有 FRAM。传统闪存或 EEPROM 因为利用电荷注入的方式实现数据存储,无法抵抗 X 射线、伽玛射线等医疗领域常用射线的干扰,极易造成数据丢失。冯逸新继续补充:“得益于高可靠性、可抵抗射线干扰、低功耗等优势,富士通 FRAM 已成功应用在 CT 扫描机、监护仪、自动 CPAP(连续正气道压力)设备、助听器、医疗电子标签等产品中,提高医疗行业的生产效率。总结地说,在要求高可靠性、高速 / 高耐久性数据读写、低功耗、抗辐射等高端医疗设备中,FRAM 有着近乎 100%的应用。”
 
性能+性价比,剑指 40 亿小目标
“以往业内人士谈及富士通 FRAM,常常说一个贵字。”冯逸新打趣道。毫无疑问,存储 IC 类产品随着出货量不断增加,研发成本不断均摊,每一比特的价格就会随之下降。与此同时,物联网、汽车电子化、关键型医疗应用等行业大趋势也催生了 FRAM 源源不断的市场机遇,加上富士通自身不断升级制造工艺、提高晶圆良率、扩大晶圆尺寸等因素,富士通 FRAM 产品在未来几年的价格优势将得到进一步的体现。
 
冯逸新称,富士通所有 FRAM 产品的开发都是基于客户的需求,并透过客户的需求充分挖掘市场的潜力,既可以根据客户需求定制研发生产,也可以将定制的产品复用,实现高效率,为市场提供更加易于使用、性价比更好的产品。据透露,2019 年,富士通的 FRAM 产品有望冲击 40 亿出货量的目标。“FRAM 是十分好的产品,但产品的市场发展既需要技术积累、也需要时间验证。我们正在将好的产品带给更多的客户与更广泛的应用场景,这一点我们信心十足!”