全新一代FeRAM，堆疊技術(shù)與QSPI加持實(shí)現(xiàn)更高速更大容量體驗(yàn)

在工業(yè)自動(dòng)化、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備或嵌入式系統(tǒng)中，既能滿(mǎn)足嚴(yán)苛的環(huán)境要求，又兼具性能與節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)的存儲(chǔ)器，非FeRAM莫屬。

FeRAM（鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器）最為獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)在于它結(jié)合了非易失性和高速寫(xiě)入性能，這種特性是其他存儲(chǔ)器無(wú)法同時(shí)具備的。與傳統(tǒng)的DRAM雖然都能實(shí)現(xiàn)高速讀寫(xiě)，但后者在斷電后會(huì)丟失數(shù)據(jù)；而與Flash相比，盡管都具有非易失性，F(xiàn)lash的寫(xiě)入速度卻遠(yuǎn)不及FeRAM。因此，F(xiàn)eRAM在能夠保存數(shù)據(jù)的同時(shí)，還能實(shí)現(xiàn)幾乎瞬時(shí)的寫(xiě)入操作，成為存儲(chǔ)技術(shù)中獨(dú)一無(wú)二的存在。

作為FeRAM領(lǐng)域的主要玩家，RAMXEED（原富士通半導(dǎo)體）已經(jīng)在此領(lǐng)域深耕二十多年。RAMXEED總經(jīng)理馮逸新于近日參加了E維智庫(kù)第12屆中國(guó)硬科技產(chǎn)業(yè)鏈創(chuàng)新趨勢(shì)峰會(huì)暨百家媒體論壇，并發(fā)布了題為《全新一代FeRAM，高可靠性和無(wú)遲延應(yīng)用首選》的演講。

FeRAM和ReRAM，程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和日記數(shù)據(jù)記錄的雙雄

FeRAM是一種結(jié)合了RAM的隨機(jī)存取特性和ROM的非易失性特點(diǎn)的存儲(chǔ)技術(shù)，能夠在斷電后保存數(shù)據(jù)，同時(shí)具備高速讀寫(xiě)的能力。與傳統(tǒng)的DRAM和SRAM相比，F(xiàn)eRAM在斷電后不丟失數(shù)據(jù)，而與Flash相比，F(xiàn)eRAM寫(xiě)入速度更快，且無(wú)需擦除操作。在優(yōu)勢(shì)方面，F(xiàn)eRAM的寫(xiě)入時(shí)間僅為120ns，遠(yuǎn)超EEPROM和Flash的寫(xiě)入速度，并且讀寫(xiě)耐久性高達(dá)1013次，幾乎沒(méi)有EEPROM和Flash那樣的磨損問(wèn)題。此外，F(xiàn)eRAM的功耗極低，不需要額外的電荷泵電路，在節(jié)能方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。

與ReRAM相比，F(xiàn)eRAM主要應(yīng)用于日志數(shù)據(jù)記錄等對(duì)讀寫(xiě)耐久性要求較高的場(chǎng)景，而ReRAM則側(cè)重于程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的領(lǐng)域?？傮w而言，F(xiàn)eRAM在高頻率、耐久性和低功耗方面占據(jù)領(lǐng)先地位，特別適合需要頻繁讀寫(xiě)、數(shù)據(jù)保持和低功耗的應(yīng)用，如工業(yè)控制、物聯(lián)網(wǎng)和醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域。

ReRAM（阻變式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，Resistive Random Access Memory）則是一種基于電阻變化原理的非易失性存儲(chǔ)器。它通過(guò)在不同電壓下改變材料的電阻狀態(tài)來(lái)記錄信息，這使得它在斷電后仍然能保持?jǐn)?shù)據(jù)。ReRAM的工作原理不同于傳統(tǒng)的Flash、DRAM或FeRAM，它通過(guò)改變材料的導(dǎo)電性來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，而不依賴(lài)電子的存儲(chǔ)或移動(dòng)，因此具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

“最近幾年ReRAM在全球受到很多關(guān)注，很多人認(rèn)為NOR Flash在下一代的時(shí)候工藝會(huì)進(jìn)入瓶頸，未來(lái)可以替代NOR Flash的是ReRAM，但是ReRAM目前量產(chǎn)最大的容量是12Mb?，F(xiàn)在要替代NOR Flash，ReRAM的容量需要達(dá)到16Mbit到1Gb，根據(jù)報(bào)道，包括海力士、中芯國(guó)際（SMIC）、中芯國(guó)際（SMIC）等知名半導(dǎo)體公司都在研發(fā)這個(gè)產(chǎn)品?！瘪T逸新解釋到，“RAMXEED是實(shí)現(xiàn)ReRAM量產(chǎn)的為數(shù)不多的半導(dǎo)體供應(yīng)商，目前最大容量12Mbit。目前ReRAM，大家可以這么理解，相當(dāng)于EEPROM的加強(qiáng)版，容量更大，DIE（晶粒）尺寸更小，讀出功耗更低。這就適合于助聽(tīng)器，因?yàn)橹?tīng)器不需要寫(xiě)入，根據(jù)每個(gè)人的聽(tīng)力能力，設(shè)定一個(gè)參數(shù)，每次用的時(shí)候讀出來(lái)即可?！?

FeRAM/ReRAM無(wú)處不在，RAMXEED利用RFID技術(shù)提供增值功能

FeRAM的應(yīng)用覆蓋了多個(gè)關(guān)鍵行業(yè)和場(chǎng)景，憑借其在斷電時(shí)仍能保留數(shù)據(jù)的能力，保障了重要日志數(shù)據(jù)的精確記錄。在智能電網(wǎng)中，F(xiàn)eRAM用于電能計(jì)量設(shè)備、充電樁和光伏設(shè)備中，確保關(guān)鍵數(shù)據(jù)在斷電時(shí)的安全性；在汽車(chē)和工業(yè)機(jī)械領(lǐng)域，F(xiàn)eRAM適用于動(dòng)力電池管理、胎壓監(jiān)測(cè)等系統(tǒng)，為緊急斷電時(shí)的數(shù)據(jù)保留提供了保障；在工廠自動(dòng)化中，它用于控制設(shè)備和機(jī)器人，確保生產(chǎn)數(shù)據(jù)的持續(xù)可靠性。

此外，F(xiàn)eRAM在醫(yī)療設(shè)備、游戲娛樂(lè)設(shè)備和云端計(jì)算中也有重要應(yīng)用。醫(yī)療領(lǐng)域使用FeRAM記錄呼吸機(jī)、助聽(tīng)器等設(shè)備的數(shù)據(jù)，保證斷電情況下的日志完整性；娛樂(lè)設(shè)備和服務(wù)器控制卡也依賴(lài)FeRAM的高可靠性來(lái)記錄運(yùn)行信息。在樓宇自動(dòng)化和通信設(shè)備中，F(xiàn)eRAM適用于電梯和基站系統(tǒng)，提升斷電情況下的故障恢復(fù)能力；而在標(biāo)簽和智能卡中，F(xiàn)eRAM則以其高密度、低功耗的特性增強(qiáng)了RFID等產(chǎn)品的可靠性。

同時(shí)，ReRAM在可穿戴設(shè)備中也占有一席之地，主要用于低功耗、小體積的助聽(tīng)器和智能穿戴設(shè)備的數(shù)據(jù)記錄，滿(mǎn)足小型設(shè)備的特殊需求。

“富士通從過(guò)去80年代的半導(dǎo)體到現(xiàn)在，還積累了一些無(wú)線(xiàn)供電的技術(shù)（FRID），還有一些識(shí)別微弱信號(hào)的模擬傳感器技術(shù)，希望為客戶(hù)創(chuàng)造更高的附加價(jià)值?！瘪T逸新分享到，“面向無(wú)源旋轉(zhuǎn)編碼器之外，我們還將利用微弱脈沖電力驅(qū)動(dòng)的無(wú)源存儲(chǔ)器在未來(lái)會(huì)做發(fā)展。”

據(jù)悉，RAMXEED的FeRAM的定制專(zhuān)用LSI（大規(guī)模集成電路）在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的多種應(yīng)用，分為三大模塊：射頻無(wú)線(xiàn)充電、模擬傳感、以及能量采集。

射頻無(wú)線(xiàn)充電（RF, Wireless charging）：通過(guò)UHF和HF頻段的RFID技術(shù)，實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)充電和數(shù)據(jù)通信。高頻（HF）RFID具備高密度存儲(chǔ)和NFC通信的能力，而超高頻（UHF）RFID則能支持小尺寸芯片、無(wú)線(xiàn)充電以及EPC通信。這些技術(shù)應(yīng)用在物聯(lián)網(wǎng)的新器件中，整合了無(wú)線(xiàn)充電和傳感功能。

模擬傳感（Analog sensing）：此部分的功能主要是電源脈沖傳感，通過(guò)8位的ADC和LNA實(shí)現(xiàn)微弱信號(hào)的識(shí)別，目標(biāo)是開(kāi)發(fā)小尺寸、低功耗的傳感芯片，以支持更高效的信號(hào)檢測(cè)。

能量采集（Energy Harvesting）：應(yīng)用于無(wú)源編碼器等領(lǐng)域，通過(guò)能量采集技術(shù)使設(shè)備無(wú)需電池即可運(yùn)行。同時(shí)，該技術(shù)還計(jì)劃應(yīng)用于更廣泛的無(wú)源存儲(chǔ)器開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)低功耗和內(nèi)置的電源管理功能。

總體而言，F(xiàn)eRAM的定制LSI利用多年積累的RFID技術(shù)，將無(wú)線(xiàn)充電、模擬傳感和能量采集集成在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，不僅增加了設(shè)備的附加價(jià)值，也推動(dòng)了無(wú)源低功耗設(shè)備的發(fā)展。

下一代高速FeRAM，堆疊技術(shù)實(shí)現(xiàn)更大更快

RAMXEED已經(jīng)開(kāi)始了下一代FeRAM的產(chǎn)品布局，據(jù)悉其開(kāi)發(fā)目標(biāo)集中在大容量化和高速化，以滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求。首先，F(xiàn)eRAM的容量將從32Mb提升到128Mb，采用鏡像芯片（Mirror Chip）設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)更高的存儲(chǔ)密度。同時(shí)，F(xiàn)eRAM的寫(xiě)入速度將從120ns大幅縮短至35ns，使其具備與SRAM和MRAM相媲美的高性能。在應(yīng)用前景上，高速FeRAM有望替代SRAM+電池組合、SRAM+EEPROM組合，甚至MRAM，成為新一代低成本、高效能的非易失性存儲(chǔ)解決方案。此外，通過(guò)堆疊技術(shù)進(jìn)一步提升FeRAM的存儲(chǔ)密度，使其在高頻讀寫(xiě)和數(shù)據(jù)保留的場(chǎng)景中表現(xiàn)出色。

馮逸新在現(xiàn)場(chǎng)展示了下一代4Mbit并口FeRAM的目標(biāo)規(guī)格和開(kāi)發(fā)路線(xiàn)圖，旨在提升FeRAM的寫(xiě)入速度和容量，使其在高性能應(yīng)用中更具競(jìng)爭(zhēng)力。

目標(biāo)規(guī)格：當(dāng)前的FeRAM寫(xiě)入周期為120ns，訪問(wèn)周期為65ns，而新一代高速FeRAM的寫(xiě)入和訪問(wèn)周期都縮短至35ns，與SRAM和MRAM相媲美。同時(shí)，新FeRAM的工作電流（ICC）和電壓（VDD）均得到優(yōu)化，以降低功耗。

開(kāi)發(fā)路線(xiàn)圖：路線(xiàn)圖顯示，第一代高速FeRAM的開(kāi)發(fā)將在2026年推出1Mb至4Mb容量版本，寫(xiě)入周期為35ns，并提供試用樣品以供客戶(hù)測(cè)試。第二代高速大容量FeRAM預(yù)計(jì)在2027至2028年發(fā)布，容量將達(dá)到8Mb至16Mb，并保持35ns的高速寫(xiě)入能力。

這些改進(jìn)旨在通過(guò)顯著縮短寫(xiě)入周期和提升容量，使FeRAM成為MRAM和SRAM的替代品，為客戶(hù)提供更快、更高效的存儲(chǔ)解決方案。

不止于此，RAMXEED還將帶來(lái)Quad SPI接口的FeRAM的新品。

RAMXEED展示了從傳統(tǒng)4Mbit SRAM+電池解決方案向4/8Mbit FeRAM過(guò)渡的可能路徑。FeRAM通過(guò)并行和Quad SPI接口提供選擇，以滿(mǎn)足不同的應(yīng)用需求，例如去除電池和減少PCB布線(xiàn)。與傳統(tǒng)SRAM和SPI相比，Quad SPI FeRAM（108MHz）的寫(xiě)入時(shí)間更快，僅需9.7ms，顯著優(yōu)于SRAM和普通SPI的寫(xiě)入時(shí)間。

RAMXEED計(jì)劃通過(guò)引入新的封裝形式（如24-pin FBGA）來(lái)擴(kuò)展QSPI FeRAM的產(chǎn)品線(xiàn)，以達(dá)到市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)水平。當(dāng)前封裝涵蓋1M到16M容量的多種規(guī)格，未來(lái)根據(jù)市場(chǎng)需求，還會(huì)開(kāi)發(fā)6Mbit產(chǎn)品。

在2024至2028年期間，計(jì)劃推出新的封裝和接口版本，包括16-pin SOP和24-pin FBGA，以滿(mǎn)足不斷增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求，提升FeRAM在高性能存儲(chǔ)市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力。

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其實(shí)FeRAM在市場(chǎng)上的應(yīng)用量并不算大，主要的瓶頸有兩個(gè)，一是容量太小，目前最大容量是8Mbit；二是成本比較高，限制了發(fā)展。

“在Memory市場(chǎng)， DRAM和Flash約占存儲(chǔ)器的98%，剩下的2%是利基市場(chǎng)，這里面還包括了EEPROM、FeRAM?！瘪T逸新分享到，“因?yàn)橄鄬?duì)其他存儲(chǔ)器，由于特有的產(chǎn)品構(gòu)造，F(xiàn)eRAM的工藝太舊。如何提高性?xún)r(jià)比，的確要做很多東西，一是繼續(xù)把它變得更小，剛有提到疊加技術(shù)可以把容量做的更大，同時(shí)還得是市場(chǎng)的需求量越大，成產(chǎn)的成本才會(huì)更小一些。未來(lái)我們不僅是8Mbit，可以做到32Mbit，就可以進(jìn)入到Nor Fash的容量范圍之內(nèi)?！?