过去十年,智能电表大范围替代传统电表的产业转变,成为工业物联网高速发展的一个缩影。中商产业研究院相关报告指出,预计 2021 年全球智能电表市场营收规模将达 142.2 亿美元,与 2016 年的 88.4 亿美元、2017 年的 97.2 亿美元相比,年均复合增长率约 10%。而 Navigant Research 研究报告指出,中国在 2018 年第一季度持续引领全球智能电表市场,安装量超过 4.96 亿台,占全球总量的 68.4%,并正在向下一代智能电表发展。
 
图 1:中商产业研究院预测 2021 年全球智能电表市场营收规模
 
由此看来,中国智能电表行业已全面落地,这是否意味着电表市场将趋于平稳?非也。智能电表属于强制检定设备,到期需要更换,更换周期一般为 5-10 年。值得一提的是,国家电网发布智能电网规划、并启动大规模智能电表安装的时间点正是 2009 年,这表示中国的智能电表市场正处于集中替换周期。对于智能电表行业的供应链而言,无疑是重磅的利好消息!日前,富士通电子元器件(上海)有限公司产品管理部总监冯逸新在一次公开研讨会上表达了同样的观点:“智能表计行业是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。”对此,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、欧洲、北美等地区拥有很大的市场占有率,比如威胜集团、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。
 
累计出货超八千万,富士通 FRAM 强势进击电表市场
工业物联网的蓬勃发展,对数据链上如数据采集、数据记录、数据处理等各个环节的应用提出了更高的要求。对于智能电表而言,数据记录及存储需要考虑准确记录、非易失性、耐久度等多个方面的需求。因此,智能电表方案商需考虑挑选合适的存储产品予以应对。冯逸新称:“富士通 FRAM 在需要准确记录和存储智能电表重要数据的应用中、发挥着关键作用。例如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。”
 
图 2:智能电表选用 FRAM 可确保掉电情况下数据依然完整
 
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。国家电网公司也有规定,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为:1*60*60*24*365*10=3.2 亿次。当前,单片 FRAM 写入次数寿命高达 10 万亿次,而 EEPROM 仅有百万次。显然,选用高速、高读写耐久性的富士通 FRAM 能够满足数据写入性的要求,并在掉电或者其它异常情况发生时,能确保重要数据的完整记录,从而确保电力产业的准确收费。冯逸新自豪地表示:“富士通 FRAM 在智能电表行业已深耕 10 年之久,内置有富士通 FRAM 的智能电表是当前电力公司所追求的理想解决方案!2018 年,富士通 FRAM 面向全球电表客户已累计交货 8,000 万片,为智能电表行业提供高性能、高可靠的存储方案!”
 
图 3:面向全球电表客户的富士通 FRAM 产品已累计交货 8,000 万片
 
不仅如此,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 赋予了智能电表应用的另一优势,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。
 
图 4:智能电表防止黑客盗窃或篡改信息的系统构成及 FRAM 高速擦除数据的优势
 
基于 FRAM 实现低成本“通用”智能表计方案 
经过智能电表市场的长期验证,富士通 FRAM 产品在不断优化性能与降低成本的同时,也逐步转向更广泛的智能表计市场,如水表、热表、燃气表等领域。“水、气表这些行业与电表的市场规律有一定的差异,”冯逸新表示,“最明显的一点就是水表、气表必须选用电池供电,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。”
 
据介绍,富士通 FRAM 在近几年也逐渐打入全球智能水、气表的主流供应链,成为准确记录和存储智能水、气表重要数据的标准元件。富士通 FRAM 在智能水、气表中的应用,与智能电表类似,如非易失性与高写入耐久性确保了准确、可靠的数据记录。此外,由于水、气表使用电池供电,FRAM 拥有超低功耗的特性使之备受方案商的青睐。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,更有助于电池与设备的小型化。
 
图 5:富士通 FRAM 在智能水、气表计中的应用
 
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。冯逸新表示:“智能电表,特别是单相电、水、气、热表对方案成本的要求非常苛刻,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。”
 
图 6:基于 FRAM 打造低成本的智能表计方案
 
性能突破、造价更低,下一代存储“神器”NRAM 已在路上!
如上文提及,富士通 FRAM 已经能够满足智能表计应用的各类需求,但富士通已投入开发与试产下一代高性能存储产品——NRAM。NRAM 是富士通与 Nantero 公司协议授权后,共同打造的下一代颠覆性新型存储器,因为它同时继承了 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。以智能表计方案为例,使用一个 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。
 
图 7:基于富士通 NRAM 可简化智能表计方案设计
 
作为 NRAM 的第一代产品,16M bit 的 DDR3 SPI 接口产品最快将于 2020 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!敬请期待!”