卡位“下一代”存儲，一文看懂富士通FRAM、NRAM、ReRAM產(chǎn)品線(xiàn)

車(chē)載存儲需求的增長(cháng)，開(kāi)始引起越來(lái)越多存儲器廠(chǎng)商的重視。盡管汽車(chē)應用領(lǐng)域對安全性的要求嚴苛，要進(jìn)入得克服許多挑戰，但仍然有眾多廠(chǎng)商殺入車(chē)載存儲領(lǐng)域。

目前，美光除了供應汽車(chē)ADAS、儀表盤(pán)、信息娛樂(lè )系統需要的DDR3/4和LPDDR3/4外，還增加了eMMC 5.0量產(chǎn)，提供8GB~128GB容量以應對大容量存儲的需求，以及高端需求的SSD。在推廣新一代3D NAND之際，東芝計劃將3D NAND導入汽車(chē)領(lǐng)域。東芝認為車(chē)載存儲的容量將進(jìn)一步擴大。這是采用3D NAND的重要契機。富士通則計劃將FRAM鐵電隨機存儲器推向汽車(chē)領(lǐng)域。富士通認為車(chē)載電子控制系統對于存取各類(lèi)傳感器資料的需求持續增加，因此對于高效能非易失性?xún)却婕夹g(shù)的需求也越來(lái)越高。

目前針對車(chē)載存儲的主流廠(chǎng)商及產(chǎn)品線(xiàn)介紹

在第七屆EEVIA年度中國ICT媒體論壇暨2018產(chǎn)業(yè)和技術(shù)展望研討會(huì )上，富士通電子元器件產(chǎn)品管理部總監馮逸新對《國際電子商情》記者介紹了其FRAM鐵電存儲器，具有像E2PROM一樣的非易失性的優(yōu)勢，在沒(méi)有電源的情況下可以保存數據。

FRAM是車(chē)載存儲最佳選擇？據了解，自從1999年開(kāi)始，富士通推FRAM產(chǎn)品已經(jīng)連續推了18年，應該說(shuō)已經(jīng)有不少客戶(hù)采用并認可了FRAM產(chǎn)品。到2017年10月，富士通FRAM做到了3500Mpcs的產(chǎn)量。

至于富士通為什么這么迫切的推FRAM也可以理解，富士通控制著(zhù)FRAM的整個(gè)生產(chǎn)程序；在日本的芯片開(kāi)發(fā)和量產(chǎn)及組裝程序。

“可以說(shuō)FRAM車(chē)規級是滿(mǎn)足汽車(chē)電子可靠性和無(wú)延遲要求的最佳存儲器選擇。”馮逸新這么對《國際電子商情》記者表示。

為什么這么說(shuō)？這就要從FRAM的產(chǎn)品特性開(kāi)始說(shuō)起。FRAM的學(xué)術(shù)名字叫做FERAM，利用鐵電晶體的鐵電效應實(shí)現數據存儲，其的特點(diǎn)是速度快，能夠像RAM一樣操作，讀寫(xiě)功耗極低，不存在如EEPROM的最大寫(xiě)入次數的問(wèn)題；但受鐵電晶體特性制約，FRAM仍有最大訪(fǎng)問(wèn)（讀）次數的限制。

FRAM在耐久性、讀寫(xiě)速度、功耗等各方面吊打EEFROM和FLASH，無(wú)奈致命傷是太貴

FRAM性能比EEPROM好的地方在于三點(diǎn)：1.壽命，讀寫(xiě)的次數比較多， EEPROM和flash都達不到EEFROM的讀寫(xiě)次數；2.功耗，同樣寫(xiě)入64byte的數據，FRAM的功耗僅僅是EEPROM的1/100，這樣功耗越低，電池的使用壽命就越長(cháng)；3.讀寫(xiě)速度，FRAM的寫(xiě)入速度可以達到納米秒，寫(xiě)入一個(gè)數據的時(shí)間僅僅是EEPROM的1/3000。這么快的讀寫(xiě)速度帶來(lái)的另一個(gè)意想不到的好處就是瞬間斷電的時(shí)候，FRAM的數據已經(jīng)寫(xiě)入，而EEPROM肯定數據丟失。

看到這里，大家是不是很激動(dòng)了呢？跟FRAM比EEFROM簡(jiǎn)直就是戰五渣??！可是為什么用FRAM的客戶(hù)還是少數呢？這就要談到價(jià)格問(wèn)題了。并不是技術(shù)好的產(chǎn)品就會(huì )流行，消費者更看重性?xún)r(jià)比。FRAM的Logic部分比重太大，成本難以降低是一個(gè)難點(diǎn)。此外，相比EEPROM，FRAM的存儲容量實(shí)在是有一點(diǎn)捉急（4Kbit~16Mbit）。在工藝上，FRAM也很難突破100nm，因此大數據的存儲還是更適合留給FLASH或者EEFROM，畢竟兩者分工不同。

那么什么樣的應用更適合FRAM而非EEFROM呢？馮逸新認為，如果對存儲容量沒(méi)有太高要求，而又需要頻繁的記錄重要數據，又不希望數據在斷電中無(wú)法保護，這種應用比較適合FRAM。比如汽車(chē)中用到的黑匣子，主要記錄剎車(chē)信息以及事故前幾秒的情況。“在日本、在歐洲、在韓國如果你把發(fā)動(dòng)機關(guān)了，或者意外事故掉地上了，當前的模式、當前的狀態(tài)一定記下來(lái)，比如說(shuō)進(jìn)入隧道的時(shí)候，進(jìn)入隧道那個(gè)通信沒(méi)了，會(huì )先記錄下來(lái)。中國我訪(fǎng)問(wèn)了很多的公司，還不需要，但未來(lái)還是一個(gè)市場(chǎng)。”馮逸新表示。

馮逸新表示，富士通車(chē)規級的FRAM可滿(mǎn)足工作溫度125℃，符合AEC-Q100 Grade 1測試標準，更適合用來(lái)存儲各種傳感器帶來(lái)的數據，如車(chē)載信息娛樂(lè )系統中的GPS等數據，記錄安全氣囊的數據，在行車(chē)過(guò)程中以1次/0.15秒或1次/1秒的速度記錄CAN通信數據；在電池管理系統中以每秒或每0.1秒的頻率記錄電池單元的電壓，溫度和電流等數據，監控電池的短期和長(cháng)期性能狀態(tài)；在胎壓監測系統中實(shí)時(shí)記錄輪胎壓力。據介紹，目前FRAM已經(jīng)在一些歐洲Tier 1的車(chē)廠(chǎng)中采用。

此外，FRAM也非常適合用到新能源汽車(chē)的電池管理系統BMS中。目前中國已經(jīng)有一些客戶(hù)如比亞迪已經(jīng)開(kāi)始采用富士通的SPI 256kbit 和I2C 256 kbit的FRAM。

整車(chē)控制單元VCU也是一個(gè)很重要的關(guān)鍵元件，目前中國的新能源汽車(chē)和低速代步車(chē)的VCU中已經(jīng)開(kāi)始使用64kbit SPI FRAM。

FRAM還有一個(gè)重要的應用是在RFID中。由于FRAM對各種宇宙射線(xiàn)的抗干擾性很強，而很多醫療行業(yè)的起居需要通過(guò)射線(xiàn)殺菌，EEPPOM受到射線(xiàn)照射很容易出現數據丟失的情況，而FRAM就不用擔心這個(gè)問(wèn)題。

筆者認為，除了適合車(chē)載存儲外，只要是對于高耐久性、高讀寫(xiě)速度以及低功耗三大特性有需求的應用，如表計、醫療、呼吸機、汽車(chē)電子、游戲機等，都可以采用FRAM。未來(lái)隨著(zhù)FRAM成本的降低以及容量的提升，應該可以與EEPRM和FLASH形成更好的互補，而非互相取代的關(guān)系。

成本更低的NRAM何時(shí)能夠量產(chǎn)？

馮逸新表示，從短期來(lái)看FRAM的成本問(wèn)題比較難解決，相對來(lái)說(shuō)NRAM更有希望降低成本。這里又要科普一下什么叫NRAM？

NRAM由美國Nanteo公司發(fā)明，相較于當前的普通內存，NRAM芯片的具有非常強大的優(yōu)勢。除了讀寫(xiě)速度是普通閃存的1，000倍(Nanteo官網(wǎng)上表示是1，000倍)之外，同時(shí)可提供功耗更低，更具可靠性與耐用性的內存，而且生產(chǎn)成本更低。NRAM也可以用來(lái)當做儲存芯片使用，而且因為其特性為非揮發(fā)性，所以就算斷電也不會(huì )清除儲存在上面的信息。NRAM可以應用在任何系統，不但可以做數據存儲，也可以做程序存儲。與FRAM相比，NRAM的工作溫度更是高達150℃，這意味著(zhù)市場(chǎng)更大，可以直接用到汽車(chē)發(fā)動(dòng)機周邊電子產(chǎn)品。在待機模式下，NRAM的功耗幾乎接近于0。

在規格密度上，NRAM類(lèi)似或接近于FRAM，但是存儲密度遠高于FRAM，在核心尺寸上，NRAM的尺寸比FRAM更小?？傮w來(lái)說(shuō)，在高溫操作、數據保持、高速書(shū)寫(xiě)上，NRAM都具有較大優(yōu)勢。NRAM繼承了NOR Flash的一些特點(diǎn)還有FRAM的特點(diǎn)，在成本上跟EEPROM接近，這使得NRAM有機會(huì )進(jìn)入消費類(lèi)市場(chǎng)。

BCC Research預計，全球NRAM市場(chǎng)將從2018年到2023年實(shí)現62.5%的復合年成長(cháng)率(CAGR)，其中嵌入式系統市場(chǎng)預計將在2018年達到470萬(wàn)美元，到了2023年將成長(cháng)至2.176億美元，CAGR高達115.3% 。 不過(guò)看似優(yōu)點(diǎn)多多的NRAM也不是不存在問(wèn)題，盡管Nantero公司早在2006年就宣布退出NRAM產(chǎn)品，但業(yè)界一直期待的NRAM遲遲不能量產(chǎn)。2016年，富士通半導體和三重富士通半導體共同宣布與Nantero公司達成協(xié)議，授權該公司的碳納米管內存(NRAM)技術(shù)，三方公司未來(lái)將致力于NRAM內存的開(kāi)發(fā)與生產(chǎn)。借由三方面的合作，將在2018年推出借由55納米制程所生產(chǎn)的NRAM內存。BCC Research指出有幾家獨立內存公司、手機與可穿戴設備公司可能導入NRAM技術(shù)，但Fitzgerald說(shuō)，這些公司至今并未透露任何細節。

第四種被動(dòng)元器件ReRAM

除了以上兩種存儲，第三個(gè)要重點(diǎn)提到的是ReRAM。什么是ReRAM?業(yè)界常說(shuō)的被動(dòng)電路元件有三種：電阻器、電容器和電感器；任教于加州大學(xué)伯克利分校，并且是新竹交通大學(xué)電子工程系榮譽(yù)教授的蔡少堂（Leon Chua）在多年前預測有第四個(gè)元件的存在，即憶阻器（memristor），實(shí)際上就是一個(gè)有記憶功能的非線(xiàn)性電阻器。他在1971年發(fā)表了《憶阻器：下落不明的電路元件》論文，提供了憶阻器的原始理論架構，推測電路有天然的記憶能力，即使電力中斷亦然。

憶阻器跟人腦運作方式頗為類(lèi)似，可使手機將來(lái)使用數周或更久而不需充電；使個(gè)人電腦開(kāi)機后立即啟動(dòng)；筆記型電腦在電池耗盡之后很久仍記憶上次使用的信息?；谝陨侠碚摶A，業(yè)界研發(fā)了一種新型的非揮發(fā)ReRAM(電阻式記憶體)。將DRAM的讀寫(xiě)速度與SSD的非易失性結合于一身。換句話(huà)說(shuō)，關(guān)閉電源后存儲器仍能記住數據。

ReRAM為非易失性?xún)却?，藉由電壓脈沖于金屬氧化物薄膜，產(chǎn)生的大幅度電阻變化以記錄1和0。其制程化繁為簡(jiǎn)，由兩電極間簡(jiǎn)易金屬氧化物架構組成，使其同時(shí)擁有低功耗和高寫(xiě)入速度的優(yōu)點(diǎn)。

松下半導體于2013年即開(kāi)始量產(chǎn)配備ReRAM的微型計算機。2016年，富士通電子元器件（上海）有限公司推出業(yè)界最高密度4 Mbit ReRAM（可變電阻式存儲器）產(chǎn)品MB85AS4MT。此產(chǎn)品為富士通半導體與松下電器半導體合作開(kāi)發(fā)的首款ReRAM存儲器產(chǎn)品。據了解，中芯國際已正式出樣采用40nm工藝的ReRAM芯片，并稱(chēng)更先進(jìn)的28nm工藝版很快也會(huì )到來(lái)。

包含鈦鎳氧化物結構的ReRAM，在刷寫(xiě)時(shí)只需要100mA的電流甚至更少，相比傳統ReRAM，研究人員還降低了90%的波動(dòng)電阻值，這一技術(shù)指標在反復高速寫(xiě)入和擦除時(shí)會(huì )影響產(chǎn)品質(zhì)量和壽命。ReRAM的功耗更低，比現有手機采用的NAND型存儲速度快約1萬(wàn)倍。實(shí)用化后，將提高手機下載高畫(huà)質(zhì)動(dòng)畫(huà)速度，并且消耗更低的電量，從而可以延長(cháng)手機的使用時(shí)間。

據介紹，ReRAM密度比DRAM內存高40倍，讀取速度快100倍，寫(xiě)入速度快1000倍。ReRAM單芯片（200mm左右）即可實(shí)現TB級存儲，還具備結構簡(jiǎn)單、易于制造等優(yōu)點(diǎn)。ReRAM存儲芯片的能耗可達到閃存的1/20，數據擦寫(xiě)上限是后者的10倍。作為存儲器前沿技術(shù)，ReRAM未來(lái)預期可以替代目前的FlashRAM，并且具有成本更低、性能更突出的優(yōu)勢。相比EEPROM，ReRAM的存儲容量比較大一些，核心尺寸比較小一點(diǎn)。

幾種不同存儲技術(shù)的參數對比

作為下一代存儲的代表，富士通力推的FRAM、NRAM、ReRAM三種存儲技術(shù)各有特色和不同的應用市場(chǎng)。從存儲容量來(lái)看，傳統的NAND Flash和NOR Flash最具優(yōu)勢，因此在對容量需求量較高的消費類(lèi)市場(chǎng)更為常見(jiàn)，但是涉及到寫(xiě)入耐久度等需求的時(shí)候，下一代存儲產(chǎn)品開(kāi)始展露優(yōu)勢。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，如果需要無(wú)延遲、耐久性的設計，FRAM更適合，主要用來(lái)取代EEPROM。如果不需要更多的寫(xiě)入次數，同時(shí)對于容量要求高一點(diǎn)，則可以選擇ReRAM。NRAM則介于ReRAM和FRAM之間，可以部分取代NOR Flash。