近十年來(lái)，在高速成長(zhǎng)的非易失性存儲(chǔ)器市場(chǎng)的推動(dòng)下，業(yè)界一直在試圖利用新材料和新概念發(fā)明一種更好的存儲(chǔ)器技術(shù)，以替代閃存技術(shù)，更有效地縮小存儲(chǔ)器，提高存儲(chǔ)性能。目前具有突破性的存儲(chǔ)技術(shù)有鐵電RAM（FRAM）、磁性RAM（MRAM）、相變RAM（PRAM）或其他相變技術(shù)。本文將分別介紹這些技術(shù)的特點(diǎn)、比較和研發(fā)進(jìn)展；最后重點(diǎn)介紹新一代FRAM存儲(chǔ)產(chǎn)品的特點(diǎn)、優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用案例。

新一代存儲(chǔ)技術(shù)的進(jìn)展

MRAM是一種非易失性磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器。它擁有靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（SRAM）的高速讀取寫(xiě)入能力及動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（DRAM）的高集成度，基本上可以無(wú)限次重復(fù)寫(xiě)入。其設(shè)計(jì)原理非常誘人，它通過(guò)控制鐵磁體中的電子旋轉(zhuǎn)方向來(lái)達(dá)到改變讀取電流大小的目的，從而使其具備二進(jìn)制數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力。MRAM的主要缺點(diǎn)是固有的寫(xiě)操作過(guò)高和技術(shù)節(jié)點(diǎn)縮小受限。為了克服這兩大制約因素，業(yè)界提出了自旋轉(zhuǎn)移矩RAM（SPRAM）解決方案，這項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)是利用自旋轉(zhuǎn)換矩引起的電流感應(yīng)式開(kāi)關(guān)效應(yīng)。盡管這一創(chuàng)新方法在一定程度上解決了MRAM的一些常見(jiàn)問(wèn)題，但還有很多挑戰(zhàn)等待研究人員克服，如自讀擾動(dòng)、寫(xiě)次數(shù)、單元集成等。目前，MRAM只局限于4Mb陣列180nm工藝的產(chǎn)品。另外，MRAM的生產(chǎn)成本也是個(gè)不小的問(wèn)題。MRAM研發(fā)可分為三大陣營(yíng)，除了東芝、海力士之外，三星電子也在進(jìn)行研發(fā)。

PRAM是最好的閃存替代技術(shù)之一，能夠涵蓋不同非易失性存儲(chǔ)器應(yīng)用領(lǐng)域，滿足高性能和高密度兩種應(yīng)用要求。它利用溫度變化引起硫系合金（Ge2Sb2Te5）相態(tài)逆變的特性，利用電流引起的焦耳熱效應(yīng)對(duì)單元進(jìn)行寫(xiě)操作，通過(guò)檢測(cè)非晶相態(tài)和多晶相態(tài)之間的電阻變化讀取存儲(chǔ)單元。雖然這項(xiàng)技術(shù)最早可追溯到上個(gè)世紀(jì)70年代，但是直到最近人們才重新嘗試將其用于非易失性存儲(chǔ)器，采用相變合金的光電存儲(chǔ)設(shè)備取得了商業(yè)成功，也促進(jìn)了人們發(fā)現(xiàn)性能更優(yōu)異的相變材料結(jié)構(gòu)的研究活動(dòng)，相變存儲(chǔ)器證明其具有達(dá)到制造成熟度的能力。從應(yīng)用角度看，PRAM可用于所有存儲(chǔ)器，特別適用于消費(fèi)電子、計(jì)算機(jī)、通信三合一電子設(shè)備的存儲(chǔ)器系統(tǒng)。常用相變材料晶態(tài)電阻率和結(jié)晶溫度低、熱穩(wěn)定性差，需要通過(guò)摻雜來(lái)改善性能。目前，人們也在尋找性能更加優(yōu)良的相變材料，以最大限度地發(fā)揮PRAM的優(yōu)越性。

FRAM是早在上個(gè)世紀(jì)90年代出現(xiàn)的一個(gè)概念，是一種隨機(jī)存取存儲(chǔ)器技術(shù)，已成為存儲(chǔ)器家族中最有發(fā)展?jié)摿Φ男鲁蓡T之一。它使用一層有鐵電性的材料取代原有的介電質(zhì)，使得它也擁有像E2PROM一樣的非易失性內(nèi)存的優(yōu)勢(shì)，在沒(méi)有電源的情況下可以保存數(shù)據(jù)，用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。FRAM具有高速、高密度、低功耗和抗輻射等優(yōu)點(diǎn)。作為非易失性存儲(chǔ)器，F(xiàn)RAM具有接近SRAM和DRAM這些傳統(tǒng)易失性存儲(chǔ)器的級(jí)別的高速寫(xiě)入速度，讀寫(xiě)周期只要傳統(tǒng)非易失性存儲(chǔ)器的數(shù)萬(wàn)份之一，但讀寫(xiě)耐久性卻是后者的1000萬(wàn)倍，達(dá)到了10萬(wàn)億次，可實(shí)現(xiàn)高頻繁的數(shù)據(jù)紀(jì)錄。目前，研發(fā)廠商正在解決由陣列尺寸限制帶來(lái)的FRAM成品率問(wèn)題，進(jìn)一步提高存儲(chǔ)密度和可靠性。今天，F(xiàn)RAM技術(shù)研發(fā)的主攻方向是130nm工藝的64Mb存儲(chǔ)器。

目前，富士通半導(dǎo)體集團(tuán)控制著FRAM的整個(gè)生產(chǎn)程序；在日本有芯片開(kāi)發(fā)和量產(chǎn)及組裝設(shè)施。富士通半導(dǎo)體公司可保證FRAM產(chǎn)品的高質(zhì)量、高可靠性和穩(wěn)定供應(yīng)，15年來(lái)一直在提供FRAM產(chǎn)品。

富士通半導(dǎo)體FRAM的主要特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)

FRAM是一種非易失性存儲(chǔ)器，結(jié)合了隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM）和只讀存儲(chǔ)器（ROM）的優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)、醫(yī)療電子、消費(fèi)電子、工業(yè)電子等幾乎所有行業(yè)。富士通半導(dǎo)體的FRAM產(chǎn)品以其“多、快、省”的特點(diǎn)在業(yè)界獨(dú)樹(shù)一幟，有助于解決應(yīng)用瓶頸，促進(jìn)產(chǎn)品創(chuàng)新?！岸唷笔侵窮RAM的高讀寫(xiě)耐久性（10萬(wàn)億次）的特點(diǎn)，可以頻繁記錄操作歷史和系統(tǒng)狀態(tài)；“快”是指FRAM的高速燒寫(xiě)（EEPROM的30000倍）的特性，可以幫助系統(tǒng)設(shè)計(jì)者解決突然斷電丟失數(shù)據(jù)的問(wèn)題；“省”是指FRAM超低功耗（EEPROM的1/1，000）的特性，特別是寫(xiě)入時(shí)無(wú)需升壓。通過(guò)圖1的對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)富士通半導(dǎo)體FRAM相對(duì)于EEPROM的的性能優(yōu)勢(shì)。

圖1：富士通半導(dǎo)體FRAM和EEPROM的性能對(duì)比

將照相機(jī)實(shí)拍的一張照片分別存儲(chǔ)到EEPROM和FRAM中，直觀比較圖像數(shù)據(jù)寫(xiě)入過(guò)程中EEPROM和FRAM的性能差異。在此演示中，使用并口傳輸數(shù)據(jù)，F(xiàn)RAM存儲(chǔ)數(shù)據(jù)用了約0.19秒，而EEPROM用了約6.23秒；FRAM存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的比特率約為808kB/s，而EEPROM存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的比特率約為24kB/s；功耗方面，F(xiàn)RAM約為0.4mW，而EEPROM約為61.7mW。FRAM的快速讀寫(xiě)和超低功耗特性顯而易見(jiàn)。此外，相比其他傳統(tǒng)存儲(chǔ)器，F(xiàn)RAM也在性能上更勝一籌，如圖2性能比較所示。

圖2：FRAM與其他存儲(chǔ)器的比較

在通信速度方面，I2C接口速度為1MHz，SPI接口最快可達(dá)50MHz。在SPI接口基礎(chǔ)上，富士通半導(dǎo)體將推出QSPI接口，通信速率可達(dá)到和并口相當(dāng)?shù)臄?shù)量級(jí)，這將給客戶帶來(lái)很多好處。QSPI只有16到20個(gè)引腳，而并口至少40個(gè)引腳，并且QSPI可以達(dá)到與并口同樣的速率，對(duì)客戶而言意味著能夠節(jié)省一些功耗和產(chǎn)品成本。采用串行接口的FRAM可以替代EEPROM或串行閃存，而采用并行接口的FRAM產(chǎn)品可以代替低功耗SRAM或PSRAM。在封裝方面，目前FRAM基本可以直接替代EEPROM，F(xiàn)RAM的封裝和EEPROM的封裝完全兼容。

FRAM的主要應(yīng)用和成功案例

過(guò)去幾年，富士通FRAM在中國(guó)的電力儀表（三相表和集中器）、工業(yè)控制、辦公設(shè)備、汽車音響導(dǎo)航儀器、游戲機(jī)、RFID、醫(yī)療器械及醫(yī)療電子標(biāo)簽等行業(yè)取得了可喜成績(jī)。其FRAM主要包括三大類（單體FRAM、RFID和內(nèi)嵌FRAM的認(rèn)證芯片），在很多產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了批量應(yīng)用，并促成了大量的創(chuàng)新應(yīng)用案例。

在流量計(jì)應(yīng)用領(lǐng)域，電池壽命是電池供電的水表/氣表的關(guān)鍵所在，電池需要用到10-15年。富士通半導(dǎo)體的低功耗FRAM加上高速讀寫(xiě)性能可大大縮短微處理器演算狀態(tài)，延長(zhǎng)其待機(jī)狀態(tài)，進(jìn)一步延長(zhǎng)了電池壽命。中國(guó)的一些水表、氣表制造商/方案商開(kāi)始采用FRAM研發(fā)新產(chǎn)品，而抄表模塊制造商、開(kāi)發(fā)商對(duì)FRAM也產(chǎn)生了濃厚興趣，一些新項(xiàng)目研發(fā)已開(kāi)始采用FRAM。與電力儀表一樣，富士通FRAM已成為水表/氣表及其集抄系統(tǒng)的最佳選擇。在水表/氣表系統(tǒng)中，從集中器到每家每戶的水表/氣表終端，都有FRAM的身影。在集中器中，F(xiàn)RAM用于存儲(chǔ)通信歷史數(shù)據(jù)；在氣表應(yīng)用中，F(xiàn)RAM用于存儲(chǔ)煤氣流量歷史數(shù)據(jù)；在水表應(yīng)用中，F(xiàn)RAM用于存儲(chǔ)水流量歷史數(shù)據(jù)。

圖3：FRAM應(yīng)用圖

FRAM也為RFID注入了新的活力，尤其是在傳統(tǒng)EEPROM RFID不能滿足應(yīng)用需求的領(lǐng)域，如工廠自動(dòng)化和維護(hù)、醫(yī)療、航天等領(lǐng)域，F(xiàn)RAM RFID能夠突破一切性能限制，實(shí)現(xiàn)EEPROM RFID所不能實(shí)現(xiàn)的功能。

在醫(yī)療領(lǐng)域，富士通半導(dǎo)體內(nèi)嵌FRAM的RFID產(chǎn)品相比內(nèi)嵌EEPROM的RFID產(chǎn)品更具優(yōu)勢(shì)。前者讀寫(xiě)速度更快，抗輻射性高出不止一個(gè)數(shù)量級(jí)。RAM RFID可用于手術(shù)臺(tái)、藥劑盒子、穿刺、血透管子追溯等應(yīng)用，特別是需要經(jīng)過(guò)伽瑪放射性消毒的醫(yī)療器械?；贔RAM的RFID可輕松通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)醫(yī)療滅菌過(guò)程，而基于EEPROM的RFID信息在這一過(guò)程中會(huì)被破壞。

EEPROM RFID讀寫(xiě)次數(shù)最多只有一百萬(wàn)次，這在某些應(yīng)用場(chǎng)合下使用可能會(huì)有問(wèn)題，例如讀卡頻率比較高的高速收費(fèi)，而FRAM RFID的讀寫(xiě)次數(shù)為1012，可滿足這類應(yīng)用讀寫(xiě)次數(shù)的要求。

在工廠自動(dòng)化和維護(hù)應(yīng)用中，制造組裝生產(chǎn)線上的歷史數(shù)據(jù)、手冊(cè)、零件信息等都可以寫(xiě)進(jìn)FRAM RFID標(biāo)簽，從而縮短讀取時(shí)間，使生產(chǎn)線更加高效。在某車廠的汽車生產(chǎn)線上就采用了富士通半導(dǎo)體FRAM RFID標(biāo)簽，使其每年的生產(chǎn)量都有提升。

富士通半導(dǎo)體創(chuàng)新的FRAM認(rèn)證芯片還促進(jìn)了應(yīng)用創(chuàng)新，可應(yīng)用于電子器械與主機(jī)（如打印機(jī)等）相連的外設(shè)（如墨盒）的真假鑒別，通過(guò)主機(jī)與外設(shè)之間的質(zhì)詢-響應(yīng)進(jìn)行驗(yàn)證，從而鑒別授權(quán)部件或非授權(quán)部件。類似創(chuàng)新應(yīng)用還有很多，如有線內(nèi)窺鏡的轉(zhuǎn)換頭真?zhèn)悟?yàn)證等。

此外，冷鏈控制也是FRAM RFID的用武之地，如果要追溯運(yùn)輸途中每一個(gè)結(jié)點(diǎn)溫度的變化，就需要在整個(gè)車箱里加一個(gè)RFID模塊，實(shí)時(shí)把數(shù)據(jù)傳到接收端，客戶讀一下就可以看出一小時(shí)運(yùn)輸范圍內(nèi)有沒(méi)有超過(guò)溫度系數(shù)、溫度范圍，有SPI接口的RFID可以實(shí)現(xiàn)這樣的應(yīng)用。

圖4：FRAM RFID產(chǎn)品線路圖

FRAM的未來(lái)發(fā)展方向

綜上所述：不同存儲(chǔ)器都有其各的優(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn)，而存儲(chǔ)器市場(chǎng)需要更高密度、更高速度、更低功耗、具有非易失性且價(jià)格便宜的存儲(chǔ)器產(chǎn)品，所以由消費(fèi)類產(chǎn)品驅(qū)動(dòng)的存儲(chǔ)器市場(chǎng)在呼喚性能更優(yōu)存儲(chǔ)器技術(shù)。

如圖3所示，富士通半導(dǎo)體為FRAM存儲(chǔ)器制定了產(chǎn)品發(fā)展路線圖。目前，其FRAM產(chǎn)品線容量為4Kb到4Mb，涵蓋SPI和I2C串行接口、并行接口。未來(lái)富士通半導(dǎo)體還會(huì)不斷推出更多新品，逐步實(shí)現(xiàn)大容量化，現(xiàn)在已著手研發(fā)8Mb、16Mb的產(chǎn)品。

FRAM單體存儲(chǔ)器 –產(chǎn)品陣容

圖5：富士通半導(dǎo)體FRAM存儲(chǔ)器產(chǎn)品線的路線圖

由于掌握著從FRAM研發(fā)、設(shè)計(jì)到量產(chǎn)及封裝的整個(gè)流程，加上多年的經(jīng)驗(yàn)，富士通半導(dǎo)體能始終保證FRAM產(chǎn)品的高質(zhì)量和穩(wěn)定供應(yīng)。為了更好地在技術(shù)上支持廣大工程師的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，富士通半導(dǎo)體還提供FRAM RFID開(kāi)發(fā)板，幫助工程師更好地了解FRAM RFID的性能及應(yīng)用，縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。