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小而美的FeRAM 为何二十多年一直屹立不倒?

10/30 11:10
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FeRAM(铁电随机存取存储器)应用领域广泛,从个人到企业,从私用到公用,无所不在。特别是在汽车电子工业控制、表计以及助听器等领域,FeRAM都展现出了卓越的性能。

日前,在E维智库第12届中国硬科技产业链创新趋势峰会暨百家媒体论坛上,RAMXEED(原富士通半导体)总经理冯逸新详细介绍了该公司最新一代FeRAM的特性及其在行业中的应用情况。

差异化特性

FeRAM,也被称为FRAM(尽管“FeRAM”更为学术化,而“FRAM”则是Ramtron、Cypress、Infineon的注册商标),在存储器的分类中,非易失性存储器和易失性存储器各有千秋。而FeRAM则巧妙地结合了这两者的优点:它像SRAM、DRAM一样支持随机覆盖写入,无需擦除操作,写入速度快;同时,它又具备非易失性存储器的特点,能够在断电后保存数据。此外,FeRAM的读写速度更是达到了纳秒级,远超NOR Flash和EEPROM。更重要的是,FeRAM的读写耐久性极高,可达1013次,相当于无限次读写,这是EEPROM和NOR Flash所无法比拟的。

正是基于这些特点,FeRAM在实时写入、掉电保护等应用场景中展现出了不可替代的绝对优势。特别是在电表等需要频繁读写的应用中,FeRAM更是成为了首选。从整个存储器市场来看,NOR Flash、NAND Flash和DRAM占据了98%的份额,而包括FeRAM在内的利基市场则占据了剩余的2%。尽管份额不大,但FeRAM却以其独特的优势,在这个市场中扮演着举足轻重的角色。它不仅能够替代EEPROM、SARM、MRAM等存储器,还展现出了广泛的应用前景。

近年来,ReRAM电阻式随机存取存储器)作为新兴存储器技术备受瞩目,被视为未来可能替代NOR Flash的候选者。然而,目前ReRAM的量产容量仍有限,最大仅为12Mb。要真正替代NOR Flash,ReRAM的容量还需大幅提升至16Mb至1Gb之间。目前,包括海力士、中芯国际等知名半导体公司都在积极研发ReRAM相关技术。

作为实现ReRAM量产的少数半导体供应商之一,RAMXEED的ReRAM产品已达到12Mb的容量。ReRAM可以被视为EEPROM的加强版,具有更大的容量、更小的die(芯粒)尺寸和更低的读出功耗。这些特性使得ReRAM特别适合于助听器等对写入需求不高、但对读出功耗和尺寸有严格要求的应用场景。

行业应用

冯逸表示,在FeRAM的供应版图中,富士通与英飞凌占据主导地位。值得一提的是,通过收购CYPRESS(而CYPRESS此前又收购了Ramtron),英飞凌进一步巩固了其在FeRAM市场的地位。不过,在晶圆代工方面,英飞凌现已转向与TI合作。

FeRAM和ReRAM在市场中各有定位。以容量为纵坐标,读写次数为横坐标来看,ReRAM作为EEPROM的升级版,拥有稍大的容量。而FeRAM与MRAM(磁阻随机存取存储器)则以其高速读写和低功耗特性著称,但相较而言,MRAM存在功耗高和易受磁场影响的缺点。

富士通的FeRAM在多个领域有广泛应用。在智能电网领域,包括光伏发电、储能、变电以及汽车充电桩等方面,FeRAM是富士通深耕中国大陆市场二十多年的重要产品之一。此外,FeRAM还广泛应用于汽车、船舶、工程机械等领域,如新能源汽车管理系统、TBOX、行车记录仪等。

在工厂自动化方面,富士通的FeRAM服务于施奈德、西门子等世界知名企业,特别是在磁式旋转编码器应用中,富士通的带有二进制计数器的FeRAM的无源设计和高速写入、耐久读写、超低功耗特性使其成为实现无电池编码器的关键。

医疗领域也是FeRAM的重要市场,如助听器、呼吸机、CT扫描和病房监护仪等设备中均有应用。在游戏机领域,FeRAM因其精确记录关键数据的能力而受到青睐。在云计算领域,FeRAM作为高速读写的新一代存储器,在RAID控制卡中有重要应用。此外,楼宇自动化、5G通讯、标签和智能卡、可穿戴设备等也是FeRAM的潜在市场。

特别值得一提的是,FeRAM在记录故障信息方面发挥着重要作用,如在智能电网、继电保护器光伏逆变器、储能系统等领域,FeRAM能够实时记录故障信息,便于及时发现问题并恢复运行状态。

此外,富士通还积累了无线供电技术(FRID)和微弱信号识别技术。FeRAM不仅用于记录故障信息,还在汽车电子、BMS、电池护照、卡车行车记录、光模块、IOT控制器服务器RAID控制卡等领域有广泛应用。在这些应用中,与EEPROM相比,FeRAM具有更大的容量、更高的读写次数和更好的成本优势。

冯逸表示,富士通在FeRAM的产品升级方面做了大量工作,包括开发Quad SPI等新产品,以提升在高端应用中的竞争力。

迭代升级和创新

在90年代,当Ramtron首次将FeRAM推向市场时,其主要定位是替换EEPROM,实现pin to pin和软件的互换。EEPROM具有SPI接口、I2C接口和并口接口,FeRAM也同样具备这些接口。在SPI接口方面,富士通拥有丰富的产品线,并不断进行产品升级,包括提升工作温度至125度(超越常规的85度工业温度标准)、提高工作频率,并满足市场对更小封装的需求,提供DFN 8封装。

富士通开发的新一代FeRAM展现出快速的工作频率,达到了50MHz的速度,相较于MRAM,FeRAM具有明显优势。同时,富士通还在研发Quad(四线)SPI产品,以满足游戏机和高端FA应用对更高速度的需求。相比传统SPI,Quad SPI在许多应用上具有绝对优势。

在I2C产品方面,富士通主要用于电表计量,并对现有产品线进行了升级,包括提高工作温度,同时实现了3.4Mb的最高速度,远超常规的1Mb。虽然并口类产品在国内使用较少,但富士通仍进行了产品升级,提高了工作温度。

随着市场需求的增长,富士通近两年在汽车级产品方面也进行了大量升级,包括新能源电池包、BMS、TBOX、行车记录仪以及胎压监测等,这些产品通常需要SPI接口并满足AEC-Q100标准。同时,富士通还补充了I2C接口的汽车级产品线,并实现了大容量和小封装。

然而,FeRAM在市场上的应用量受限于容量小和成本高的瓶颈。为了突破这些限制,富士通计划通过叠加die的方式实现更大容量,如8Mb基础上叠加2个die达到16Mb,叠加4个die达到32Mb。

富士通的未来计划包括发展无需电池的SRAM+battery替代品,以及使用堆叠技术实现SRAM+EEPROM(或NVSRAM)的替代。同时,富士通还在研发新的技术,以提高FeRAM的速度,目标是在下一代技术中实现35ns的访问速度,与MRAM和SRMA相抗衡。

结语

1996年,Ramtron公司率先将FeRAM推向市场,当时富士通作为Ramtron的晶圆代工服务伙伴,共同见证了FeRAM的诞生。历经二十多年的不懈探索,富士通(现RAMXEED)已向全球市场交付了高达44亿片的FeRAM产品。

未来,富士通将根据市场需求继续研发更高速度的FeRAM,并拓展其应用范围至FA、楼宇控制、RAID控制卡、FPGA的程序存储等领域。在2025年之后,富士通计划进一步提升FeRAM的速度和性能,以满足市场的不断变化和发展。

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