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

車載存儲需求的增長，開始引起越來越多存儲器廠商的重視。盡管汽車應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Π踩缘囊髧揽?，要進入得克服許多挑戰(zhàn)，但仍然有眾多廠商殺入車載存儲領(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(dǎo)入汽車領(lǐng)域。東芝認為車載存儲的容量將進一步擴大。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領(lǐng)域。富士通認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)實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲，其的特點是速度快，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：1.壽命，讀寫的次數(shù)比較多， EEPROM和flash都達不到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的寫入速度可以達到納米秒，寫入一個數(shù)據(jù)的時間僅僅是EEPROM的1/3000。這么快的讀寫速度帶來的另一個意想不到的好處就是瞬間斷電的時候，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，大家是不是很激動了呢？跟FRAM比EEFROM簡直就是戰(zhàn)五渣??！可是為什么用FRAM的客戶還是少數(shù)呢？這就要談到價格問題了。并不是技術(shù)好的產(chǎn)品就會流行，消費者更看重性價比。FRAM的Logic部分比重太大，成本難以降低是一個難點。此外，相比EEPROM，F(xiàn)RAM的存儲容量實在是有一點捉急（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？馮逸新認為，如果對存儲容量沒有太高要求，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，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，比如說進入隧道的時候，進入隧道那個通信沒了，會先記錄下來。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測試標準，更適合用來存儲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)中實時記錄輪胎壓力。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，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)心這個問題。

筆者認為，除了適合車載存儲外，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、醫(yī)療、呼吸機、汽車電子、游戲機等，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，而非互相取代的關(guān)系。

成本更低的NRAM何時能夠量產(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，相較于當前的普通內(nèi)存，NRAM芯片的具有非常強大的優(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清除儲存在上面的信息。NRAM可以應(yīng)用在任何系統(tǒng)，不但可以做數(shù)據(jù)存儲，也可以做程序存儲。與FRAM相比，NRAM的工作溫度更是高達150℃，這意味著市場更大，可以直接用到汽車發(fā)動機周邊電子產(chǎn)品。在待機模式下，NRAM的功耗幾乎接近于0。

在規(guī)格密度上，NRAM類似或接近于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的一些特點還有FRAM的特點，在成本上跟EEPROM接近，這使得NRAM有機會進入消費類市場。

BCC Research預(yù)計，全球NRAM市場將從2018年到2023年實現(xiàn)62.5%的復(fù)合年成長率(CAGR)，其中嵌入式系統(tǒng)市場預(yù)計將在2018年達到470萬美元，到了2023年將成長至2.176億美元，CAGR高達115.3% 。 不過看似優(yōu)點多多的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指出有幾家獨立內(nèi)存公司、手機與可穿戴設(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節(jié)。

第四種被動元器件ReRAM

除了以上兩種存儲，第三個要重點提到的是ReRAM。什么是ReRAM?業(yè)界常說的被動電路元件有三種：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)電子工程系榮譽教授的蔡少堂（Leon Chua）在多年前預(yù)測有第四個元件的存在，即憶阻器（memristor），實際上就是一個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。

憶阻器跟人腦運作方式頗為類似，可使手機將來使用數(shù)周或更久而不需充電；使個人電腦開機后立即啟動；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，使其同時擁有低功耗和高寫入速度的優(yōu)點。

松下半導(dǎo)體于2013年即開始量產(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(dǎo)體與松下電器半導(dǎo)體合作開發(fā)的首款ReRAM存儲器產(chǎn)品。據(jù)了解，中芯國際已正式出樣采用40nm工藝的ReRAM芯片，并稱更先進的28nm工藝版很快也會到來。

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

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）即可實現(xiàn)TB級存儲，還具備結(jié)構(gòu)簡單、易于制造等優(yōu)點。ReRAM存儲芯片的能耗可達到閃存的1/20，數(shù)據(jù)擦寫上限是后者的10倍。作為存儲器前沿技術(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的存儲容量比較大一些，核心尺寸比較小一點。

幾種不同存儲技術(shù)的參數(shù)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(yīng)用市場。從存儲容量來看，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類市場更為常見，但是涉及到寫入耐久度等需求的時候，下一代存儲產(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，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)，同時對于容量要求高一點，則可以選擇ReRAM。NRAM則介于ReRAM和FRAM之間，可以部分取代NOR Flash。