后來者居上，FRAM助力中國高端醫(yī)療電子系統關鍵設計

 如今，當您在一些醫(yī)院就診時，您可能會看到醫(yī)生正拿著平板電腦診療、查房。這可不是普通的平板電腦，它采用了防酒精的專業(yè)面板。您知道嗎，其實在醫(yī)院中，電子設備除了要防酒精外，還必須抗輻射，這是因為醫(yī)院常常要對貼有RFID標簽的物品進行輻射消毒，而采用富士通半導體的能夠抵抗高達50kGy伽瑪射線消毒的非易失性隨機存儲器——FRAM(鐵電隨機存儲器)的RFID在通過輻射消毒后數據不會被破壞。

除了抗輻射，FRAM還具有高速/高讀寫耐久性和低功耗的特性，這些獨一無二的優(yōu)勢使得FRAM在醫(yī)療領域脫穎而出，贏得了更廣泛的應用和用戶的青睞。“FRAM早已經被用于CT掃描機和其他大型設備當中，在較小型醫(yī)療設備中的使用也在不斷增加。為了在醫(yī)療設備和生物制藥的生產控制實現認證的目的，內嵌FRAM的RFID也變得越來越普及。”在日前舉行的第七屆中國國際醫(yī)療電子技術大會(CMET2014)上，全球領先的FRAM供應商富士通半導體的系統存儲器事業(yè)部副總裁松宮正人先生表示。

非易失性、高速、無需后備電池——滿足醫(yī)療電子系統設計苛刻的性能要求

在關乎人們生命安全的醫(yī)療電子領域，迫切需要即使是在電源關閉的狀態(tài)下也能存儲數據的存儲器，而且還要在低功耗下高速工作，要求存儲器具有高讀寫循環(huán)耐久性。此外，由于通過伽馬射線和電子滅菌在醫(yī)療領域也是很普遍的，這要求存儲器具有抗輻射性， 而FRAM所具有的獨特優(yōu)勢能夠滿足所有這些醫(yī)療領域的苛刻要求。

與傳統的非揮發(fā)存儲器相比，FRAM的功耗要小很多，而且寫入速度更快。對于類似的寫入，FRAM功耗只有EEPROM的1/1000。FRAM的寫入時間是EEPROM的1/40000，達到SRAM和DRAM這些傳統易失性存儲器的級別。而且，FRAM的讀/寫耐久性能遠遠優(yōu)于EEPROM和Flash存儲器。EEPROM和Flash存儲器能寫入大約100萬次(10^ 6次)，FRAM最高可寫入1萬億次，或者說寫入次數可以達到前兩種存儲器的100萬倍以上。

圖2. 鐵電FRAM相比E2PROM的優(yōu)勢。

特別值得一提的還有FRAM是利用鐵電極化技術保存數據的鐵電存儲器，這意味著在遭受輻射時也不會發(fā)生數據丟失問題。如果是EEPROM和Flash存儲器，保存數據取決于電荷是否存在于器件的存儲區(qū)，輻射會引起電荷漂移，導致數據被破壞。

“富士通半導體使用成熟技術生產FRAM的時間已經超過10年。我們從1999年開始量產，15年已經累計銷售達到25.8億片FRAM產品。去年我們擴展了大容量的FRAM產品線，在市場上受到廣泛好評。”松宮正人先生表示。

寬泛的FRAM產品線——涵蓋SPI、IIC、并行接口，容量向8Mb邁進

如下圖3所示，富士通半導體提供寬泛的FRAM產品，容量從4Kb到4Mb，涵蓋SPI和IIC串行接口、并行接口。采用串行接口的FRAM可以替代EEPROM或串行閃存，而采用并行接口的FRAM產品可以代替低功耗SRAM或PSRAM (Pseudo SRAM)。

圖3.富士通半導體 FRAM產品線涵蓋SPI、IIC、并行接口。

“唯一的不足是目前的最大容量只能支持到4Mbit，未來富士通半導體還會不斷推出更多新品，逐步實現大容量化。我們已經在著手研發(fā)8Mb的產品。”松宮正人透露。

而在封裝方面，目前FRAM基本可以直接替換EEPROM，如下圖4所示，FRAM的封裝和EEPROM的封裝是完全兼容的。

圖4. FRAM單體存儲器封裝系列。

此外，FRAM的成本問題是所有使用者所關心的一個除了性能以外最重要的因素。FRAM的價格和存儲容量相關，容量不同，價格不同。現在FRAM和EEPROM一般的價格差距在2～5倍，而在大容量方面，例如1M～2M的FRAM和EEPROM的價格差距就只有1～2倍，未來隨著FRAM的市場不斷擴大，其成本會逐漸接近EEPROM，這樣FRAM就可被更多的用戶接受。

另一方面，掌握著從FRAM的研發(fā),設計到量產及封裝的整個流程，加上多年的經驗，富士通半導體因而能始終保證FRAM產品的高質量和穩(wěn)定供應。富士通半導體還在低功耗制造工藝上不斷創(chuàng)新，進一步降低成本價格，實現大容量化。

“在要求高可靠性，高速/高耐久性數據讀寫，低功耗，抗輻射等這些人命關天的醫(yī)療設備中，FRAM將得到100%的應用。” 松宮正人先生表示。

實例分享——為醫(yī)療電子應用增添實用價值

今天，像EEPROM和SRAM這些標準存儲器器件已經被廣泛應用于醫(yī)療設備。而使用FRAM將可能改變普通最終用戶和醫(yī)療專家對助聽器噪聲，或是需要更換所用設備中的備用電池而頻頻抱怨的情況。FRAM產品有助于采集更詳盡的數據，提高數據可靠性，還可以改善安全性，提高醫(yī)療行業(yè)的生產效率。下面將通過實例來講述使用FRAM帶來的好處。

圖5. FRAM單體存儲器在醫(yī)療器械領域的應用

首先，在CT掃描機中使用FRAM，不用更換電池。早在3、4年前就有設備制造商開始在CT掃描機中使用FRAM。不同的制造商在設備內部使用FRAM的目的是不一樣的，目的之一是控制系統以確定什么時候需要對設備進行保養(yǎng)。

CT掃描機里面的攝像頭和X射線發(fā)生器的性能會因為反復使用而惡化，這些元器件必須定期更換。在這些地方，FRAM被用作控制系統的存儲器設備，用來記錄設備工作了多少小時和受到輻射的數量。FRAM芯片是具有快速寫入、高讀/寫耐久性和耐輻射特性的非揮發(fā)存儲器，很適合這種苛刻的工作環(huán)境。另一方面，FRAM還非常適于在CT中用作掃描回轉數，斷層掃描信息的存儲器。

其次，FRAM還被用于病人身旁的監(jiān)護儀，記錄或監(jiān)控病人的生命體征—心率、脈搏、血壓、體溫等。這些監(jiān)護儀存儲了病人預先記錄的基準信息，可以和最近測量的數據進行對照。如果發(fā)生異常情況，監(jiān)護儀就會發(fā)出警報聲。

“與EEPROM相比，FRAM可以更頻繁地寫入，設備可以進行更頻繁的測量，這樣監(jiān)護儀就能夠記錄更多的細節(jié)信息。FRAM的快速寫入能力還意味著，如果突然斷電的話，不會丟失數據，因為FRAM可以在系統的供電中斷之前，在最短的時間內儲存數據。” 松宮正人先生說。

第三，當FRAM用于呼吸機(CPAP)中，同樣無需后備電池。設備制造商正在考慮將FRAM用于自動CPAP(連續(xù)正氣道壓力)設備，用來跟蹤睡眠呼吸暫停。CPAP監(jiān)控和記錄病人在睡眠時的呼吸數據，在需要的時候幫助病人呼吸。

松宮正人先生還指出：“目前，自動CPAP使用SRAM存儲數據，但使用FRAM就不需要為保存SRAM上的數據所需要的電池。一些CPAP使用EEPROM來儲存設備的初始參數，但是使用FRAM存儲這些參數并記錄數據，連EEPROM也不用了。”

最后，在助聽器中使用FRAM能夠降低更換電池的頻率和減少噪聲。現在的助聽器可以根據每個人的使用情況進行調整以達到最優(yōu)的性能。制造商用一個記錄系統來登記這些信息，相比使用EEPROM來記錄信息，使用FRAM可以更快地寫入數據，且耗能更少。例如，以同樣的頻率寫入64字節(jié)的數據，FRAM的寫入速度比EEPROM快20倍，功耗只有后者的1/140，這意味著更換電池的頻率更低。

FRAM還有另一個獨特的優(yōu)勢，那就是能夠減少存儲器在寫入數據時的噪聲。EEPROM要使用內部的10V的高電壓來擦除和在存儲器中寫入數據。在寫入時，這個高供電電壓會在電路中產生噪聲，會轉換成助聽器使用者可以聽到的重復噪聲。如果使用FRAM，就不需要高電壓來擦除和寫入數據，這個問題迎刃而解。

在RFID標簽上使用FRAM——助力RFID IC進入醫(yī)療領域

FRAM不僅可以作為單獨的元器件，而且還通過帶有FRAM的RFID IC進入到醫(yī)療領域。例如，RFID標簽可用于控制和鑒定醫(yī)療設備、產品和藥物。一些RFID標簽制造商和系統制造商已經把帶有FRAM的RFID標簽在醫(yī)療領域實現商用，在醫(yī)療設備和生物藥品上得到使用。

圖6. 富士通半導體FRAM RFID產品系列一覽。

RFID標簽可以通過無線網絡，把信息讀取和寫入到內部的存儲器里。RFID不僅可以記錄比條形碼多得多的大量信息，信息還可以連續(xù)寫入，所以RFID標簽通常用于跟蹤信息，以及物流和生產領域的其他應用。但是在醫(yī)療領域，有一個迄今普通RFID還進不去的領域，那就是對貼有標簽的物品進行輻射消毒。

為了滿足特定的嚴格衛(wèi)生標準，醫(yī)療設備常常使用特殊氣體或其他方法進行消毒，但是輻射消毒在單用途的醫(yī)療設備和生物制藥設備中的零部件上使用得更為廣泛。由于放射線會使采用內置EEPROM的RFID標簽上的數據丟失，這樣標簽就起不到識別器的作用，設備的最終使用者對此有很多怨言。在RFID標簽上使用FRAM就可以解決這個問題。

圖7. 富士通半導體展臺上現場展示的搭載FRAM的RFID芯片。

如上圖7所示為富士通半導體展臺現場展示的搭載FRAM的RFID芯片，此類電子標簽具有大容量存儲(UHF容量分別為36bytes、4Kbytes;HF容量分別為256bytes 、2Kbytes、9Kbytes)、高速寫入、高耐久性(靜態(tài)功耗小于1uA)、耐放射線性、嵌入式RF(具有SPI串口，可實現與微處理器的連接)的特點。

為中國市場提供技術支持——提高FRAM在中國市場認知度

“去年，我們在RFID產品上花了很多功夫，也取得了一定的成績。而如何將RFID在中國普及開來，這對我們是很大的挑戰(zhàn)，但同時也是我們的市場機遇。”松宮正人先生說，“因為RFID是根據客戶使用的場景不同而做的設計，這意味著即使從日本拿完全一樣的系統過來，中國客戶也不能直接用。所以，富士通半導體及其合作伙伴可以根據中國客戶的要求提供各個層面的技術支持。”

此外，雖然FRAM在醫(yī)療領域目前已經商用了，但是從廣泛性的角度來看它還處于起步階段。相比日本和歐洲市場，FRAM在中國市場的認知度還有待提高。松宮正人先生最后表示：“FRAM是非常好的存儲器，希望更多的中國客戶能了解和體驗到它的優(yōu)勢和功能。”