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從富士通到RAMXEED,以全新一代FeRAM迎接邊緣智能高可靠性無延遲數(shù)據(jù)存儲需求

2024-11-06 16:21 富士通半導(dǎo)體
關(guān)鍵詞:FeRAM

導(dǎo)讀:2024年全球存儲器市場的銷售額有望增長61.3%,達(dá)到1500億美元。為了降低云和邊緣的功耗,兼具高性能和非易失性的新型存儲器正迎來市場快速增長的發(fā)展大時(shí)代,如鐵電存儲器FeRAM和ReRAM,以及磁性存儲器MRAM、阻變式存儲器ReRAM等。

在人工智能大型模型和邊緣智能領(lǐng)域的算力需求激增的推動下,市場對于高性能存儲解決方案的需求也在不斷增加。據(jù)此預(yù)測,2024年全球存儲器市場的銷售額有望增長61.3%,達(dá)到1500億美元。為了降低云和邊緣的功耗,兼具高性能和非易失性的新型存儲器正迎來市場快速增長的發(fā)展大時(shí)代,如鐵電存儲器FeRAM和ReRAM,以及磁性存儲器MRAM、阻變式存儲器ReRAM等。

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2020-2024年全球存儲器市場規(guī)模及增速

富士通半導(dǎo)體(即將更名為RAMXEED)作為FeRAM產(chǎn)品全球兩個(gè)主要供應(yīng)商之一,只專注于高性能存儲器FeRAM和ReRAM的研發(fā),以及以FeRAM、ReRAM為基礎(chǔ)的定制產(chǎn)品的開發(fā)?!拔覀兊漠a(chǎn)品適用于從個(gè)體到企業(yè),從私人到公共的多種應(yīng)用,可廣泛應(yīng)用于汽車電子、工業(yè)控制、表計(jì)、助聽器等重要基礎(chǔ)行業(yè)。”

近日,富士通半導(dǎo)體科技(上海)有限責(zé)任公司總經(jīng)理馮逸新在由E維智庫舉辦的第12屆中國硬科技產(chǎn)業(yè)鏈創(chuàng)新趨勢峰會暨百家媒體論壇上分享道,“富士通集團(tuán)公司開展FeRAM的業(yè)務(wù)超過20年之久。我們的FeRAM產(chǎn)品深受全球用戶的好評,目前已累計(jì)出貨44億片之多?!?/p>

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RAMXEED(原富士通半導(dǎo)體)總經(jīng)理 馮逸新

解碼 FeRAM和ReRAM

探索存儲技術(shù)極限性能可能

FeRAM和 ReRAM代表了非易失性存儲技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的兩項(xiàng)重要?jiǎng)?chuàng)新,旨在提供比傳統(tǒng)存儲解決方案(如 SRAM、DRAM 和 Flash)更高的性能和更小的尺寸。隨著便攜式系統(tǒng)市場在過去十多年間的迅速擴(kuò)張,半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)對于大容量非易失性存儲器(NVM)技術(shù)的興趣日益濃厚。市場對更高效率、更快的內(nèi)存訪問速度及更低功耗的需求,不斷推動著NVM技術(shù)的進(jìn)步。據(jù)預(yù)測,全球非易失性存儲器市場規(guī)模在2024年達(dá)到約945.2億美元的基礎(chǔ)上,到2029年將擴(kuò)大至1647.9億美元,其間將以11.76%的復(fù)合年增長率持續(xù)增長。

FeRAM依賴鐵電材料的獨(dú)特性質(zhì)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲。該類存儲器以其超快的讀寫速度、出色的寫入耐久性以及較低的功耗特性而著稱。FeRAM的讀寫速度是納秒級,這遠(yuǎn)超過NOR flash、EEPROM;讀寫次數(shù)達(dá)到1014、1013之多,在某種意義上相當(dāng)于無限次,而EEPROM、NOR Flash一般都有次數(shù)的限制。基于這兩個(gè)特點(diǎn),在實(shí)時(shí)寫入、掉電保護(hù)等、需要讀寫次數(shù)比較高的快速非易失性存儲的應(yīng)用場景中(如智能卡、計(jì)量設(shè)備以及汽車中的事件數(shù)據(jù)記錄儀),F(xiàn)eRAM有著不可替代的絕對優(yōu)勢。同時(shí),F(xiàn)eRAM也可以替換EEPROM、SARM以及MRAM。


相比之下,ReRAM則利用材料電阻狀態(tài)的變化來保存信息,通過電流調(diào)整特定材料(例如氧化鉿)的電阻特性。在功能上,ReRAM類似于EEPROM規(guī)格,但內(nèi)存容量更大、讀出功耗更低、尺寸更小,非常適合于助聽器等小型的電池驅(qū)動的可穿戴器件應(yīng)用。近年來,ReRAM在全球范圍內(nèi)受到了極大的關(guān)注,雖然ReRAM技術(shù)已經(jīng)出現(xiàn)在一些芯片制造商的路線圖中,并且已有公司已經(jīng)開始布局ReRAM相關(guān)的產(chǎn)品和服務(wù),但是要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商用還需要克服一定的技術(shù)和市場挑戰(zhàn)?!皹I(yè)內(nèi)人士認(rèn)為NOR Flash在下一代的時(shí)候工藝會進(jìn)入瓶頸,未來可以替代NOR Flash的是ReRAM,但是ReRAM目前量產(chǎn)最大的容量是12Mb。若要替代NOR Flash,ReRAM的容量需要達(dá)到16Mbit到1Gb。”馮逸新表示。

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富士通FeRAM/ReRAM的應(yīng)用定位

賦能多個(gè)熱門產(chǎn)業(yè)應(yīng)用

智能存儲獲得廣泛落地

在數(shù)字化轉(zhuǎn)型的洶涌浪潮之下,存儲技術(shù)的創(chuàng)新無疑成為了推動各個(gè)行業(yè)闊步前行的核心力量。FeRAM和 ReRAM作為嶄露頭角的非易失性存儲新方案,以其別具一格的優(yōu)勢,在極為廣泛的應(yīng)用場景里彰顯出了龐大的潛力。不管是在關(guān)乎國計(jì)民生的智能電網(wǎng)、智能交通系統(tǒng)之中,還是在工業(yè)自動化、醫(yī)療健康、娛樂科技以及云計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施等領(lǐng)域之內(nèi),亦或是在日常生活里隨處可見的智能標(biāo)簽和可穿戴設(shè)備之上,F(xiàn)eRAM 與 ReRAM 都發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

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富士通FeRAM和ReRAM產(chǎn)品的應(yīng)用

一、從電力計(jì)量到光儲充,F(xiàn)eRAM為電力應(yīng)用存數(shù)據(jù)

“智能電網(wǎng)包括充電樁、光伏變流器,都是這幾年對新一代存儲需求比較多的行業(yè)。我們在大陸深耕二十多年,F(xiàn)eRAM銷量的重要來源之一就是智能電網(wǎng)。以電表為例,富士通是從智能電表發(fā)展的時(shí)候就介入市場的。”馮逸新說道。此外,電表之外的繼電保護(hù)器也對存儲有一定的需求,主要用于記錄其未能正常工作的情況及事件發(fā)生的順序,這一應(yīng)用要求存儲器能夠進(jìn)行高速實(shí)時(shí)寫入,而FeRAM無疑是一個(gè)最佳選擇。

“自2020年以來,光伏、逆變器和儲能系統(tǒng)對FeRAM的需求顯著增長。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中,直流電(DC)需轉(zhuǎn)換為交流電(AC),這一過程中逆變器扮演著重要角色,它需要每秒或每個(gè)毫秒記錄故障信息及電流電壓狀態(tài)。同樣,在將電力轉(zhuǎn)換為交流電后,儲能系統(tǒng)中的電池管理系統(tǒng)(BMS)也需記錄相關(guān)數(shù)據(jù),其工作原理與新能源汽車中的BMS相同。FeRAM憑借其高速讀寫能力和卓越的可靠性,在這些應(yīng)用中展現(xiàn)出了顯著的優(yōu)勢?!瘪T逸新補(bǔ)充道。

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FeRAM在智能電網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用

二、獲磁式旋轉(zhuǎn)編碼器存儲青睞,無源(無電池)設(shè)計(jì)成趨勢

FeRAM的另一大應(yīng)用就是工廠自動化(FA),據(jù)馮逸新介紹,施奈德、西門子、中國臺灣的臺達(dá)、大陸知名的數(shù)控機(jī)床供應(yīng)商,以及中國排名前五的FA供應(yīng)商等都是富士通的客戶,這些廠商的工廠自動化部門采用的都是非常高端的存儲方案,除了FeRAM還有MRAM、NVSRAM等存儲器,近年來,尤其是在旋轉(zhuǎn)編碼器領(lǐng)域的應(yīng)用日益增多。“編碼器分為光學(xué)和磁式兩種類型,在工廠自動化控制和新能源汽車領(lǐng)域里,目前磁式旋轉(zhuǎn)編碼器發(fā)展是一個(gè)潮流。然而,由于磁式編碼器內(nèi)部使用了電池,而在歐洲等地電池受到了嚴(yán)格的管控。因此,為了實(shí)現(xiàn)無電池的編碼器設(shè)計(jì),就需要可高速寫入、讀寫耐久性、超低功耗和內(nèi)置二進(jìn)制計(jì)數(shù)器的FeRAM來扮演關(guān)鍵角色。”馮逸新說。

通常情況下,在伺服驅(qū)動電機(jī)斷電后,可能會因外界不可預(yù)測的因素發(fā)生碰撞,導(dǎo)致電機(jī)重新啟動時(shí)的位置與斷電前的位置產(chǎn)生偏移。這種情況下,如何在重啟時(shí)找回準(zhǔn)確的位置成為一個(gè)嚴(yán)峻的問題。為了解決這一難題,通常會使用IC-Haus的主控芯片,配合波斯特的韋根線圈,并結(jié)合帶有二進(jìn)制計(jì)數(shù)功能的FeRAM?!爱?dāng)外部不可抗力導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)動時(shí),韋根線圈可以產(chǎn)生微弱的電能,而低功耗FeRAM能夠在微弱電流的情況下工作,利用內(nèi)置的二進(jìn)制計(jì)數(shù)器記錄電機(jī)的旋轉(zhuǎn)次數(shù)。這樣一來,當(dāng)電機(jī)重新上電時(shí),便能夠準(zhǔn)確地找回之前的位置。”馮逸新指出。

在歐洲和德國,編碼器技術(shù)發(fā)展迅速,德國的iC-House、SEW、Fraba等,日本的尼康、三菱電機(jī)、多摩川精機(jī)等都是旋轉(zhuǎn)編碼器的著名供應(yīng)商,他們也都在都在積極的研發(fā)相關(guān)產(chǎn)品?!皞鹘y(tǒng)的磁式編碼器通常配備有電池,但在歐洲,帶有電池的產(chǎn)品無法通過航空運(yùn)輸,只能選擇海運(yùn),并且電池的管理極為嚴(yán)格。鑒于此,業(yè)界正在尋求去除電池的方法,因?yàn)殡姵卦谄涫褂脡勖陂g需要更換,這不僅增加了維護(hù)成本,對于位于偏遠(yuǎn)地區(qū)的公司而言,更換電池還意味著高昂的人工費(fèi)用。因此,未來旋轉(zhuǎn)編碼器需要實(shí)現(xiàn)無源(無電池),帶有二進(jìn)制計(jì)數(shù)器FeRAM是目前無二的選擇?!瘪T逸新介紹說,最近幾年,中國臺灣的臺達(dá)以及中國大陸做編碼器的第一、二供應(yīng)商,都已經(jīng)把富士通的帶有二進(jìn)制計(jì)數(shù)器的FeRAM產(chǎn)品做進(jìn)了自己的產(chǎn)品內(nèi),并計(jì)劃于明年開始量產(chǎn)??偟膩碚f,這種無電池的設(shè)計(jì)符合未來的發(fā)展需求。

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FeRAM在編碼器領(lǐng)域的應(yīng)用

三、從BMS、TBOX到行車記錄儀,全面賦能汽車關(guān)鍵數(shù)據(jù)存儲

汽車電子因其獨(dú)特的工作環(huán)境和嚴(yán)格的需求,需要專門設(shè)計(jì)的存儲解決方案來確保其可靠性和性能。傳統(tǒng)存儲解決方案往往因成本問題而面臨挑戰(zhàn),尤其是在EEPROM和NOR Flash的使用上。相比之下,由于新能源汽車領(lǐng)域的較高附加值,以及對創(chuàng)新存儲技術(shù)的采納更為積極,因此,富士通進(jìn)行了大量的市場開拓,致力于提供符合汽車電子需求的先進(jìn)存儲解決方案。以BMS為例,每一顆電池芯片都需要記錄各種數(shù)據(jù),并保持一致性,記錄的數(shù)據(jù)包括電池的SOC、狀態(tài)的SOH,以及電池壽命和充放電周期的信息。對于此類應(yīng)用,所需的存儲器必須支持高速及頻繁的寫入操作。兩年前,歐洲宣布將實(shí)施“電池護(hù)照”制度,規(guī)定從2027年起,所有進(jìn)入歐洲市場的電池必須持有符合要求的“電池護(hù)照”。馮逸新認(rèn)為,在新能源領(lǐng)域,尤其是中國市場,電池的回收與二次利用變得日益重要,未來若要與國際標(biāo)準(zhǔn)接軌,實(shí)現(xiàn)電池護(hù)照的通行,就必須依賴高性能的存儲技術(shù)作為支撐,F(xiàn)eRAM是唯一能推動電池護(hù)照系統(tǒng)的存儲解決方案。

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FeRAM在汽車電子領(lǐng)域的應(yīng)用

“由于市場需求旺盛,汽車級產(chǎn)品在過去兩年經(jīng)歷了諸多升級。從前的新能源電池包、電池管理系統(tǒng)(BMS)、車載通信終端(TBOX)、行車記錄儀,乃至先進(jìn)的胎壓監(jiān)測系統(tǒng),通常都需要使用符合AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)的SPI接口。近年來,市場上還出現(xiàn)了對I2C接口的汽車級產(chǎn)品的需求,為此,我們專門進(jìn)行了產(chǎn)品線的補(bǔ)充和完善。目前,我們不僅能提供高達(dá)1Mbit的大容量存儲,同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了小型化封裝?!瘪T逸新補(bǔ)充到。

四、從醫(yī)療應(yīng)用到船舶、工程,ReRAM實(shí)現(xiàn)全方位布局

醫(yī)療領(lǐng)域值得一提是助聽器。助聽器里有一個(gè)lookup table用于根據(jù)個(gè)人聽力和語言能力存儲定制數(shù)據(jù),佩戴助聽器后,設(shè)備會讀取這些數(shù)據(jù),以幫助用戶恢復(fù)正常的聽力水平?!澳壳?,全球能夠?qū)崿F(xiàn)ReRAM量產(chǎn)的廠商寥寥無幾。富士通在這一領(lǐng)域已積累了十多年的豐富經(jīng)驗(yàn),并已成為歐洲最大助聽器公司的供應(yīng)商。”馮逸新說,“現(xiàn)在,我們還在正積極開拓可穿戴設(shè)備市場,并致力于更深入的發(fā)展?!?/p>

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ReRAM在助聽器領(lǐng)域的應(yīng)用

除此之外,富士通的FeRAM和ReRAM的應(yīng)用范圍還延伸到了多個(gè)領(lǐng)域,包括船舶、工程及農(nóng)業(yè)機(jī)械的智能化升級,游戲娛樂器械的體驗(yàn)革新,以及云端計(jì)算的數(shù)據(jù)中心優(yōu)化。在樓宇自動化與通信基礎(chǔ)設(shè)施中,這些技術(shù)同樣扮演著重要角色,提升了系統(tǒng)的效率與可靠性。此外,標(biāo)簽和智能卡的安全性增強(qiáng),以及可穿戴設(shè)備的功能拓展,也都得益于FeRAM和ReRAM的貢獻(xiàn)。馮逸新對這些多樣化的應(yīng)用的分享,也展示了這兩種存儲技術(shù)在推動現(xiàn)代科技進(jìn)步方面的廣泛影響力。

高速、大容量:

下一代FeRAM的產(chǎn)品迭代路徑明確

FeRAM在市場上應(yīng)用規(guī)模相對較小,主要原因在于兩大瓶頸:一是其容量有限,當(dāng)前最大容量僅為8Mbit;二是較高的成本,限制了其更廣泛的應(yīng)用?!瓣P(guān)于未來如何實(shí)現(xiàn)大容量的發(fā)展,通常的做法是在現(xiàn)有的8Mbit基礎(chǔ)上,通過堆疊技術(shù)疊加多個(gè)單元來擴(kuò)展容量,例如疊加兩個(gè)單元可以達(dá)到16Mbit,疊加四個(gè)單元?jiǎng)t可達(dá)到32Mbit?!瘪T逸新分享道,“在速度方面,MRAM和SRAM的速度通常為35納秒(ns),而富士通目前最快的FeRAM為120ns。展望未來,我們計(jì)劃在下一代技術(shù)中實(shí)現(xiàn)速度的提升,目標(biāo)是將產(chǎn)品的響應(yīng)時(shí)間縮短至35ns?!?/p>

在演講的最后,馮逸新分享了富士通未來的計(jì)劃,主要包括兩個(gè)方面:首先,針對SRAM+battery組合,鑒于市場對電池管理提出了環(huán)保低碳的要求,存儲的發(fā)展方向?qū)⑹窍龑﹄姵氐囊蕾?。其次,對于SRAM+EEPROM(或NVSRAM)組合,該配置與FeRAM相似,用現(xiàn)有量產(chǎn)FeRAM產(chǎn)品也可以替換,但是新一代高速FeRAM可以滿足與SRAM一樣的高速寫入需求的應(yīng)用。馮逸新表示,未來的研究與開發(fā)工作將緊密貼合市場需求,致力于進(jìn)一步提升FeRAM 的速度性能。同時(shí),還將推進(jìn)Quad(四線)SPI產(chǎn)品的研發(fā),以滿足如游戲機(jī)和高端工廠自動化等對數(shù)據(jù)傳輸速率有著更高要求的應(yīng)用領(lǐng)域的特殊需求。通過這些技術(shù)創(chuàng)新,富士通旨在為客戶提供更快的響應(yīng)時(shí)間和更高的數(shù)據(jù)處理能力,從而推動相關(guān)行業(yè)的發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步。

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富士通的高速并口接口FeRAM