在計(jì)量?jī)x表行業(yè),水表/氣表目前仍是不同于電表的一個(gè)“藍(lán)海”市場(chǎng),對(duì)成本的敏感度遠(yuǎn)低于對(duì)功耗的敏感度,正是因?yàn)檫@一特點(diǎn),使得FRAM這一無(wú)電池存儲(chǔ)技術(shù)在無(wú)論是通信單元(中繼)還是計(jì)量單元都得到越來(lái)越多的應(yīng)用。
而在深圳最近舉辦的2015智能水/氣計(jì)量及管網(wǎng)執(zhí)行力論壇(WATER&GAS METERING China2015)上,富士通半導(dǎo)體的展臺(tái)人頭攢動(dòng),業(yè)界對(duì)這一新型存儲(chǔ)技術(shù)的關(guān)注可見(jiàn)一斑,FRAM在電表領(lǐng)域的成功很快將延伸到一顆電池要用10-15年的水/氣表中,甚至有過(guò)之而無(wú)不及。
富士通半導(dǎo)體FRAM產(chǎn)品中國(guó)市場(chǎng)負(fù)責(zé)人、市場(chǎng)部高級(jí)經(jīng)理蔡振宇進(jìn)一步分析了個(gè)中因素:相比電表的智能化程度,水表/氣表的電子化和智能化還屬于剛剛起步,因此市場(chǎng)空間巨大,特別是為建設(shè)節(jié)水型社會(huì),國(guó)家相關(guān)部門已明確提出用水要全面實(shí)施階梯收費(fèi),水表改造的推進(jìn)實(shí)現(xiàn)將快速推動(dòng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等電子元件在水表/氣表中的應(yīng)用;另外,人口紅利消失和勞動(dòng)力成本不斷上升正推動(dòng)遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的部署,水表/氣表的智能化程度必須也正在不斷提到,這也會(huì)帶動(dòng)存儲(chǔ)器的應(yīng)用,特別是讀寫(xiě)壽命長(zhǎng)、功耗極低有利于延長(zhǎng)電池使用壽命的FRAM將有極大的用武之地。
富士通半導(dǎo)體作為此次論壇的重要贊助商,除了展出非常適合水表/氣表及工業(yè)應(yīng)用的FRAM產(chǎn)品方案和演示板、的功率及信號(hào)繼電器產(chǎn)品系列之外,還在論壇上做了題為“富士通鐵電在流量計(jì)中的應(yīng)用”的精彩演講,深入分析了FRAM相對(duì)EEPROM、Flash的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用案例。
對(duì)非易失性存儲(chǔ)器的認(rèn)知
作為非易失性存儲(chǔ)器,FRAM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)周期是傳統(tǒng)非易失性存儲(chǔ)器的1/30,000,但讀寫(xiě)耐久性卻是后者的1,000萬(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 (實(shí)時(shí)的記錄)。
“相當(dāng)于可以從唐朝寫(xiě)到現(xiàn)在!”蔡振宇在演講中這樣形象地描述FRAM的讀寫(xiě)耐久性,若按5ms一次讀寫(xiě)頻率來(lái)計(jì)算,達(dá)到10萬(wàn)億次花費(fèi)的時(shí)間是1,585年。EEPROM只有100萬(wàn)次讀寫(xiě)壽命,若按此讀寫(xiě)頻率,1個(gè)半小時(shí)就會(huì)報(bào)廢,更別說(shuō)只有10萬(wàn)次讀寫(xiě)壽命的Flash了。另外,FRAM的數(shù)據(jù)保持時(shí)間也極長(zhǎng),在85℃環(huán)境下,可以達(dá)到至少10年。
有人可能會(huì)提到,EEPROM/Flash可以分區(qū)來(lái)操作讀寫(xiě)以提高壽命,即耗損均衡技術(shù)(wear leveling),”蔡振宇還分析道,“但這樣會(huì)對(duì)軟件的冗余度提出更多要求,并占用CPU(MCU)更多工作時(shí)間,因而會(huì)提升系統(tǒng)功耗,尤其不適合水表/氣表這種電池供電計(jì)量應(yīng)用。而不需要wear leveling的FRAM可實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器的小容量化,降低軟件的復(fù)雜化和漏洞(bug)混入的可能性,工程師犯錯(cuò)的幾率也降低了,提升了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。”另外他提到,無(wú)論是電池供電還是電路供電,采用FRAM后,斷電時(shí)即使需要數(shù)據(jù)寫(xiě)入操作時(shí)也不需要大電容。
而談到器件功耗本身,FRAM又展現(xiàn)“傲嬌”的一面,EEPROM/Flash讀寫(xiě)周期較長(zhǎng),擦寫(xiě)時(shí)特別耗電,而FRAM讀寫(xiě)周期短,因而功耗水平只有EEPROM的大約1/300、Flash的1/100,000。
“若水表/氣表沒(méi)有辦法從MCU的角度去降低功耗,可以再考慮轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)器類型來(lái)幫助降低整個(gè)系統(tǒng)功耗。”蔡振宇給參加論壇的業(yè)內(nèi)人士建議道。而且,如果使用EEPROM或Flash的話,若在長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)據(jù)寫(xiě)入期間發(fā)生電源中斷,數(shù)據(jù)有丟失的危險(xiǎn),而FRAM不會(huì)有此風(fēng)險(xiǎn),因而斷電時(shí),即使需要數(shù)據(jù)寫(xiě)入操作時(shí),也不需要大電容。
在本次論壇的展區(qū)現(xiàn)場(chǎng),富士通半導(dǎo)體通過(guò)拍攝圖片的方式現(xiàn)場(chǎng)演示了FRAM的高速讀寫(xiě)和可靠保存數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì),并通過(guò)接通一盞LED的亮度不同體現(xiàn)功耗的巨大差異。
另外,蔡振宇在演講時(shí)還特別強(qiáng)調(diào),富士通半導(dǎo)體的FRAM與EEPROM封裝相同,引腳也*兼容,功能方面也具有兼容性,各種接口通用(I2C、SPI和并口),協(xié)議兼容,替代使用上沒(méi)有任何障礙。
流量計(jì)中的中、外應(yīng)用實(shí)例
而FRAM的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛,富士通FRAM過(guò)去幾年在中國(guó)的智能卡、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、科研及醫(yī)療電子標(biāo)簽等等行業(yè)取得了可喜的成績(jī),得到大批量應(yīng)用。如下圖所示,富士通半導(dǎo)體的FRAM進(jìn)入水、氣表市場(chǎng)領(lǐng)域已近兩年,那么進(jìn)展情況如何呢?據(jù)蔡振宇介紹,雖說(shuō)整體經(jīng)濟(jì)環(huán)境比較疲軟,但并沒(méi)有阻止水表氣表的智能化進(jìn)程,對(duì)FRAM需求增長(zhǎng)平穩(wěn),富士通FRAM在這領(lǐng)域的營(yíng)收增長(zhǎng)達(dá)到了30%。
他進(jìn)一步指出:“中國(guó)的水表氣表制造商/方案商集中在江浙滬、重慶等地,已有不少開(kāi)始采用FRAM進(jìn)行新產(chǎn)品的研發(fā),而集中抄表模塊制造商、開(kāi)發(fā)商在華南居多,他們對(duì)FRAM也產(chǎn)生了濃厚興趣,一些新項(xiàng)目研發(fā)已在開(kāi)始采用FRAM。”
與電力儀表一樣,富士通FRAM正在成為水表/氣表及其集抄系統(tǒng)的解決方案選擇。如下圖所示,在水表/氣表系統(tǒng),從集中器到每家每戶的水表/氣表終端,都能夠看到FRAM的身影。在集中器中,FRAM用于儲(chǔ)存通信歷史數(shù)據(jù),而在氣表應(yīng)用中,FRAM用于儲(chǔ)存煤氣流量歷史數(shù)據(jù),在水表應(yīng)用中,FRAM用于儲(chǔ)存水流量歷史數(shù)據(jù)。
蔡振宇表示:“電池壽命問(wèn)題是靠一個(gè)電池供電的水表/氣表的關(guān)鍵所在,里面的電池需要用到10-15年。而低功耗的富士通半導(dǎo)體FRAM本身功耗就相對(duì)很低,加上富士通FRAM的讀寫(xiě)高速性能將大大縮短微處理器演算狀態(tài),延長(zhǎng)其待機(jī)狀態(tài),因而能進(jìn)一步延長(zhǎng)電池壽命!”
如上圖所示, 在相同的條件下(元件容量為16Kbit,功耗包括待機(jī)電流),采用EEPROM 耗電量高達(dá)500mAh,而采用FRAM的耗電量?jī)H10mAh,后者僅為前者的1/50!
“FRAM在性能上的優(yōu)勢(shì)是明顯的,不過(guò)存儲(chǔ)產(chǎn)品的質(zhì)量也是客戶非常看重的另外一個(gè)因素。”蔡振宇最后總結(jié)道,“富士通半導(dǎo)體使用成熟技術(shù)生產(chǎn)FRAM的時(shí)間已經(jīng)超過(guò)10年。我們從1999年開(kāi)始量產(chǎn),15年已經(jīng)累計(jì)銷售達(dá)到25.8億片FRAM產(chǎn)品。高可靠性、完備一體的供貨系統(tǒng)、宏大的經(jīng)營(yíng)業(yè)務(wù)遠(yuǎn)景是我們對(duì)客戶的承諾。”