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

車載存儲(chǔ)需求的增長，開始引起越來越多存儲(chǔ)器廠商的重視。盡管汽車應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Π踩缘囊髧?yán)苛，要進(jìn)入得克服許多挑戰(zhàn)，但仍然有眾多廠商殺入車載存儲(chǔ)領(lǐng)域。

目前，美光除了供應(yīng)汽車ADAS、儀表盤、信息娛樂系統(tǒng)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(yīng)對大容量存儲(chǔ)的需求，以及高端需求的SSD。在推廣新一代3D NAND之際，東芝計(jì)劃將3D NAND導(dǎo)入汽車領(lǐng)域。東芝認(rèn)為車載存儲(chǔ)的容量將進(jìn)一步擴(kuò)大。這是采用3D NAND的重要契機(jī)。富士通則計(jì)劃將FRAM鐵電隨機(jī)存儲(chǔ)器推向汽車領(lǐng)域。富士通認(rèn)為車載電子控制系統(tǒng)對于存取各類傳感器資料的需求持續(xù)增加，因此對于高效能非易失性內(nèi)存技術(shù)的需求也越來越高。

目前針對車載存儲(chǔ)的主流廠商及產(chǎn)品線介紹

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(jiān)馮逸新對《國際電子商情》記者介紹了其FRAM鐵電存儲(chǔ)器，具有像E2PROM一樣的非易失性的優(yōu)勢，在沒有電源的情況下可以保存數(shù)據(jù)。

FRAM是車載存儲(chǔ)最佳選擇？據(jù)了解，自從1999年開始，富士通推FRAM產(chǎn)品已經(jīng)連續(xù)推了18年，應(yīng)該說已經(jīng)有不少客戶采用并認(rèn)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FRAM的整個(gè)生產(chǎn)程序；在日本的芯片開發(fā)和量產(chǎn)及組裝程序。

“可以說FRAM車規(guī)級是滿足汽車電子可靠性和無延遲要求的最佳存儲(chǔ)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？這就要從FRAM的產(chǎn)品特性開始說起。FRAM的學(xué)術(shù)名字叫做FERAM，利用鐵電晶體的鐵電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，其的特點(diǎn)是速度快，能夠像RAM一樣操作，讀寫功耗極低，不存在如EEPROM的最大寫入次數(shù)的問題；但受鐵電晶體特性制約，F(xiàn)RAM仍有最大訪問（讀）次數(shù)的限制。

FRAM在耐久性、讀寫速度、功耗等各方面吊打EEFROM和FLASH，無奈致命傷是太貴

FRAM性能比EEPROM好的地方在于三點(diǎn)：1.壽命，讀寫的次數(shù)比較多， EEPROM和flash都達(dá)不到EEFROM的讀寫次數(shù)；2.功耗，同樣寫入64byte的數(shù)據(jù)，F(xiàn)RAM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；3.讀寫速度，F(xiàn)RAM的寫入速度可以達(dá)到納米秒，寫入一個(gè)數(shù)據(jù)的時(shí)間僅僅是EEPROM的1/3000。這么快的讀寫速度帶來的另一個(gè)意想不到的好處就是瞬間斷電的時(shí)候，F(xiàn)RAM的數(shù)據(jù)已經(jīng)寫入，而EEPROM肯定數(shù)據(jù)丟失。

看到這里，大家是不是很激動(dòng)了呢？跟FRAM比EEFROM簡直就是戰(zhàn)五渣?。】墒菫槭裁从肍RAM的客戶還是少數(shù)呢？這就要談到價(jià)格問題了。并不是技術(shù)好的產(chǎn)品就會(huì)流行，消費(fèi)者更看重性價(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，F(xiàn)RAM的存儲(chǔ)容量實(shí)在是有一點(diǎn)捉急（4Kbit~16Mbit）。在工藝上，F(xiàn)RAM也很難突破100nm，因此大數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)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(yīng)用更適合FRAM而非EEFROM呢？馮逸新認(rèn)為，如果對存儲(chǔ)容量沒有太高要求，而又需要頻繁的記錄重要數(shù)據(jù)，又不希望數(shù)據(jù)在斷電中無法保護(hù)，這種應(yīng)用比較適合FRAM。比如汽車中用到的黑匣子，主要記錄剎車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(jī)關(guān)了，或者意外事故掉地上了，當(dāng)前的模式、當(dāng)前的狀態(tài)一定記下來，比如說進(jìn)入隧道的時(shí)候，進(jìn)入隧道那個(gè)通信沒了，會(huì)先記錄下來。中國我訪問了很多的公司，還不需要，但未來還是一個(gè)市場。”馮逸新表示。

馮逸新表示，富士通車規(guī)級的FRAM可滿足工作溫度125℃，符合AEC-Q100 Grade 1測試標(biāo)準(zhǔn)，更適合用來存儲(chǔ)各種傳感器帶來的數(shù)據(jù)，如車載信息娛樂系統(tǒng)中的GPS等數(shù)據(jù)，記錄安全氣囊的數(shù)據(jù)，在行車過程中以1次/0.15秒或1次/1秒的速度記錄CAN通信數(shù)據(jù)；在電池管理系統(tǒng)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(shù)據(jù)，監(jiān)控電池的短期和長期性能狀態(tài)；在胎壓監(jiān)測系統(tǒng)中實(shí)時(shí)記錄輪胎壓力。據(jù)介紹，目前FRAM已經(jīng)在一些歐洲Tier 1的車廠中采用。

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

整車控制單元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和低速代步車的VCU中已經(jīng)開始使用64kbit SPI FRAM。

FRAM還有一個(gè)重要的應(yīng)用是在RFID中。由于FRAM對各種宇宙射線的抗干擾性很強(qiáng)，而很多醫(yī)療行業(yè)的起居需要通過射線殺菌，EEPPOM受到射線照射很容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的情況，而FRAM就不用擔(dān)心這個(gè)問題。

筆者認(rèn)為，除了適合車載存儲(chǔ)外，只要是對于高耐久性、高讀寫速度以及低功耗三大特性有需求的應(yīng)用，如表計(jì)、醫(yī)療、呼吸機(jī)、汽車電子、游戲機(jī)等，都可以采用FRAM。未來隨著FRAM成本的降低以及容量的提升，應(yīng)該可以與EEPRM和FLASH形成更好的互補(bǔ)，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，從短期來看FRAM的成本問題比較難解決，相對來說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(dāng)前的普通內(nèi)存，NRAM芯片的具有非常強(qiáng)大的優(yōu)勢。除了讀寫速度是普通閃存的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(nèi)存，而且生產(chǎn)成本更低。NRAM也可以用來當(dāng)做儲(chǔ)存芯片使用，而且因?yàn)槠涮匦詾榉菗]發(fā)性，所以就算斷電也不會(huì)清除儲(chǔ)存在上面的信息。NRAM可以應(yīng)用在任何系統(tǒng)，不但可以做數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，也可以做程序存儲(chǔ)。與FRAM相比，NRAM的工作溫度更是高達(dá)150℃，這意味著市場更大，可以直接用到汽車發(fā)動(dòng)機(jī)周邊電子產(chǎn)品。在待機(jī)模式下，NRAM的功耗幾乎接近于0。

在規(guī)格密度上，NRAM類似或接近于FRAM，但是存儲(chǔ)密度遠(yuǎn)高于FRAM，在核心尺寸上，NRAM的尺寸比FRAM更小?？傮w來說，在高溫操作、數(shù)據(jù)保持、高速書寫上，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(jī)會(huì)進(jìn)入消費(fèi)類市場。

BCC Research預(yù)計(jì)，全球NRAM市場將從2018年到2023年實(shí)現(xiàn)62.5%的復(fù)合年成長率(CAGR)，其中嵌入式系統(tǒng)市場預(yù)計(jì)將在2018年達(dá)到470萬美元，到了2023年將成長至2.176億美元，CAGR高達(dá)115.3% 。 不過看似優(yōu)點(diǎn)多多的NRAM也不是不存在問題，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(dǎo)體和三重富士通半導(dǎo)體共同宣布與Nantero公司達(dá)成協(xié)議，授權(quán)該公司的碳納米管內(nèi)存(NRAM)技術(shù)，三方公司未來將致力于NRAM內(nèi)存的開發(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(nèi)存。BCC Research指出有幾家獨(dú)立內(nèi)存公司、手機(jī)與可穿戴設(shè)備公司可能導(dǎo)入NRAM技術(shù)，但Fitzgerald說，這些公司至今并未透露任何細(xì)節(jié)。

第四種被動(dòng)元器件ReRAM

除了以上兩種存儲(chǔ)，第三個(gè)要重點(diǎn)提到的是ReRAM。什么是ReRAM?業(yè)界常說的被動(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(yù)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(gòu)，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(yùn)作方式頗為類似，可使手機(jī)將來使用數(shù)周或更久而不需充電；使個(gè)人電腦開機(jī)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(chǔ)，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的讀寫速度與SSD的非易失性結(jié)合于一身。換句話說，關(guān)閉電源后存儲(chǔ)器仍能記住數(shù)據(jù)。

ReRAM為非易失性內(nèi)存，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，由兩電極間簡易金屬氧化物架構(gòu)組成，使其同時(shí)擁有低功耗和高寫入速度的優(yōu)點(diǎn)。

松下半導(dǎo)體于2013年即開始量產(chǎn)配備ReRAM的微型計(jì)算機(jī)。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(chǔ)器）產(chǎn)品MB85AS4MT。此產(chǎn)品為富士通半導(dǎo)體與松下電器半導(dǎo)體合作開發(fā)的首款ReRAM存儲(chǔ)器產(chǎn)品。據(jù)了解，中芯國際已正式出樣采用40nm工藝的ReRAM芯片，并稱更先進(jìn)的28nm工藝版很快也會(huì)到來。

包含鈦鎳氧化物結(jié)構(gòu)的ReRAM，在刷寫時(shí)只需要100mA的電流甚至更少，相比傳統(tǒng)ReRAM，研究人員還降低了90%的波動(dòng)電阻值，這一技術(shù)指標(biāo)在反復(fù)高速寫入和擦除時(shí)會(huì)影響產(chǎn)品質(zhì)量和壽命。ReRAM的功耗更低，比現(xiàn)有手機(jī)采用的NAND型存儲(chǔ)速度快約1萬倍。實(shí)用化后，將提高手機(jī)下載高畫質(zhì)動(dòng)畫速度，并且消耗更低的電量，從而可以延長手機(jī)的使用時(shí)間。

據(jù)介紹，ReRAM密度比DRAM內(nèi)存高40倍，讀取速度快100倍，寫入速度快1000倍。ReRAM單芯片（200mm左右）即可實(shí)現(xiàn)TB級存儲(chǔ)，還具備結(jié)構(gòu)簡單、易于制造等優(yōu)點(diǎn)。ReRAM存儲(chǔ)芯片的能耗可達(dá)到閃存的1/20，數(shù)據(jù)擦寫上限是后者的10倍。作為存儲(chǔ)器前沿技術(shù)，ReRAM未來預(yù)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(chǔ)容量比較大一些，核心尺寸比較小一點(diǎn)。

幾種不同存儲(chǔ)技術(shù)的參數(shù)對比

作為下一代存儲(chǔ)的代表，富士通力推的FRAM、NRAM、ReRAM三種存儲(chǔ)技術(shù)各有特色和不同的應(yīng)用市場。從存儲(chǔ)容量來看，傳統(tǒng)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(fèi)類市場更為常見，但是涉及到寫入耐久度等需求的時(shí)候，下一代存儲(chǔ)產(chǎn)品開始展露優(yōu)勢。

簡單來說，如果需要無延遲、耐久性的設(shè)計(jì)，F(xiàn)RAM更適合，主要用來取代EEPROM。如果不需要更多的寫入次數(shù)，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。