FRAM在醫(yī)療領(lǐng)域和智能電表中的應(yīng)用及發(fā)展
FRAM（鐵電隨機(jī)存取存儲器）是一種使用鐵電膜來保存數(shù)據(jù)的非易失性存儲器。這種存儲器具有非易失性和隨機(jī)存取的特性，非易失性意味著即便關(guān)閉芯片的電源，存放在存儲器里的數(shù)據(jù)也能保存下來。
與傳統(tǒng)非易失性存儲器相比，F(xiàn)RAM的功耗要低很多，而且寫入速度更快。對于類似的寫入，F(xiàn)RAM功耗只有EEPROM的1/1000。FRAM的寫入時間是EEPROM的1/40000，達(dá)到SRAM和DRAM這些傳統(tǒng)易失性存儲器的級別。而且，F(xiàn)RAM的讀/寫耐久性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于EEPROM和Flash存儲器。EEPROM和Flash存儲器能寫入大約100萬次（106次），F(xiàn)RAM最高可寫入1013次，或者說寫入次數(shù)可以達(dá)到前兩種存儲器的1000萬倍以上。
FRAM還有一個特點(diǎn)，即使用極化技術(shù)保存數(shù)據(jù)的鐵電存儲器在遭受輻射時也不會發(fā)生數(shù)據(jù)丟失問題。如果是EEPROM和Flash存儲器，保存數(shù)據(jù)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(dǎo)致數(shù)據(jù)被破壞。
FRAM的另一個獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)是采用不同的單元結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)具有優(yōu)秀的器件級防篡改能力，防范未經(jīng)授權(quán)的數(shù)據(jù)讀取，并通過了一系列嚴(yán)苛的安全認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，例如在由法國國防部的DCSSI實(shí)施的EAL （基于國際標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC 15408的評估保證級別）認(rèn)證中，F(xiàn)RAM通過了EAL4+認(rèn)證，為消費(fèi)家電類別的最高排名。常用的存儲器保存數(shù)據(jù)取決于在存儲單元的儲存區(qū)是否有電荷。然而，電荷的變化可以被第三方工具掃描到，對存儲的數(shù)據(jù)進(jìn)行非授權(quán)的存取。FRAM通過極化方式來記錄數(shù)據(jù)，用電場改變組成材料的分子方向，因此很少碰到這種風(fēng)險。
富士通半導(dǎo)體使用成熟技術(shù)生產(chǎn)FRAM的時間已經(jīng)超過10年，可以為用戶提供很寬的產(chǎn)品線。在醫(yī)療領(lǐng)域和智能電表中的解決方案及應(yīng)用而備受業(yè)界矚目。
先進(jìn)的FRAM存儲器為醫(yī)療設(shè)備實(shí)現(xiàn)增值富士通半導(dǎo)體的FRAM在醫(yī)療領(lǐng)域備受關(guān)注，贏得了更廣泛的應(yīng)用和用戶的青睞。FRAM具有很多無可匹敵的優(yōu)點(diǎn)，包括快速寫入、接近無限次讀/寫耐久性、低功耗和耐輻射性，能夠?yàn)獒t(yī)療設(shè)備和系統(tǒng)增添新的實(shí)用價值。FRAM早已經(jīng)被用于CT掃描機(jī)和其他大型設(shè)備當(dāng)中，在小型醫(yī)療設(shè)備中的使用也在不斷增加。為了在醫(yī)療設(shè)備和生物制藥的生產(chǎn)控制實(shí)現(xiàn)認(rèn)證的目的，具有FRAM的RFID也變得越來越普及。
1.在CT掃描機(jī)中使用FRAM：不用更換電池CT掃描機(jī)是一種使用FRAM的醫(yī)療設(shè)備，早在很多年前就有好幾家設(shè)備制造商開始采用FRAM。不同的制造商在設(shè)備內(nèi)部使用FRAM的目的是不一樣的，其中之一是控制系統(tǒng)以確定什么時候需要對設(shè)備進(jìn)行保養(yǎng)。
CT掃描機(jī)里面的攝像頭和X射線發(fā)生器的性能會隨反復(fù)使用而惡化，這些元器件必須定期更換。在這些領(lǐng)域，F(xiàn)RAM被用作控制系統(tǒng)的存儲器設(shè)備，用來記錄設(shè)備的工作時間和受到輻射的數(shù)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。
2.FRAM用于生物信息監(jiān)控：生命體征的更多細(xì)節(jié)信息FRAM還被用于病人身旁的監(jiān)護(hù)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(hù)儀存儲了病人預(yù)先記錄的基準(zhǔn)信息，可以和最近測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行對照。如果發(fā)生異常情況，監(jiān)護(hù)儀就會報警。與EEPROM相比，F(xiàn)RAM可以更頻繁地寫入，設(shè)備可以進(jìn)行更頻繁的測量，這樣監(jiān)護(hù)儀就能夠記錄更多的細(xì)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(shù)據(jù)，因?yàn)镕RAM可以在系統(tǒng)的供電中斷之前，在最短的時間內(nèi)儲存數(shù)據(jù)。
3.用于自動CPAP的FRAM：不用電池設(shè)備制造商正在考慮將FRAM用于自動CPAP（連續(xù)正氣道壓力）設(shè)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(shù)據(jù)，在需要的時候幫助病人呼吸。“目前，自動CPAP使用SRAM存儲數(shù)據(jù)，但使用FRAM就不需要保存SRAM上數(shù)據(jù)的電池。”一些CPAP使用EEPROM來儲存設(shè)備的初始參數(shù)，但是使用FRAM存儲這些參數(shù)并記錄數(shù)據(jù)，連EEPROM也不用了。
4.在助聽器中使用FRAM：噪聲控制一些助聽器制造商正在考慮在助聽器中使用FRAM?，F(xiàn)在的很多助聽器可以根據(jù)每個人的使用情況進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到最優(yōu)的性能。制造商用一個記錄系統(tǒng)來登記這些信息，正在考慮用FRAM作為記錄用存儲器?，F(xiàn)在的助聽器通常使用EEPROM來記錄信息，但是FRAM可以更快地寫入數(shù)據(jù)，且耗能更少。例如，以同樣的頻率寫入64字節(jié)的數(shù)據(jù)，F(xiàn)RAM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(dú)特的優(yōu)勢，那就是能夠減少存儲器在寫入數(shù)據(jù)時的噪聲。EEPROM要使用內(nèi)部的10V的高電壓來擦除和在存儲器中寫入數(shù)據(jù)。在寫入時，這個高供電電壓會在電路中產(chǎn)生噪聲，會轉(zhuǎn)換成助聽器使用者可以聽到的重復(fù)噪聲。如果使用FRAM，就不需要高電壓來擦除和寫入數(shù)據(jù)，這個問題迎刃而解。
5.FRAM用來控制醫(yī)療設(shè)備、產(chǎn)品和藥品：為輻射消毒提供更多便利FRAM不僅可以作為單獨(dú)的元器件，而且還通過帶有FRAM的RFID IC進(jìn)入到醫(yī)療領(lǐng)域。例如，RFID標(biāo)簽可用于控制和鑒定醫(yī)療設(shè)備、產(chǎn)品和藥物。一些RFID標(biāo)簽制造商和系統(tǒng)制造商已經(jīng)把帶有FRAM的RFID標(biāo)簽在醫(yī)療領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)商用，在醫(yī)療設(shè)備和生物藥品上得到使用。
RFID標(biāo)簽可以通過無線網(wǎng)絡(luò)，把信息讀取和寫入到內(nèi)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(biāo)簽通常用于跟蹤信息，以及物流和生產(chǎn)領(lǐng)域的其他應(yīng)用。但是在醫(yī)療領(lǐng)域，有一個迄今普通RFID還進(jìn)不去的領(lǐng)域，那就是對貼有標(biāo)簽的物品進(jìn)行輻射消毒。
為了滿足特定的嚴(yán)格衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，醫(yī)療設(shè)備常常使用特殊氣體或其他方法進(jìn)行消毒，但是輻射消毒在單用途的醫(yī)療設(shè)備和生物制藥設(shè)備中的零部件上使用得更為廣泛。使用輻射消毒的原因是這種方式產(chǎn)生的環(huán)境問題較少，而且已經(jīng)包裝好的物品也可以用這種方法消毒，將消毒后進(jìn)行下一步加工前的可能污染減至最少。由于輻射會使采用EEPROM的RFID標(biāo)簽上的數(shù)據(jù)丟失，這樣標(biāo)簽就起不到識別器的作用，設(shè)備的最終使用者對此有很多怨言。在RFID標(biāo)簽上使用FRAM就可以解決這個問題。
今天，像EEPROM和SRAM這些標(biāo)準(zhǔn)存儲器器件已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療設(shè)備。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(shè)備中的電池而頻頻抱怨的情況。FRAM產(chǎn)品有助于采集更詳盡的數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)可靠性，還可以改善安全性，提高醫(yī)療行業(yè)的生產(chǎn)效率。
FRAM加速智能電表發(fā)展，優(yōu)異性能降低產(chǎn)品功耗并提高安全性在很多國家，F(xiàn)RAM早已經(jīng)廣泛用在智能電表當(dāng)中，其所具有的快速寫入、幾乎無限次讀/寫、低功耗和防篡改等優(yōu)異特性將推動智能電表未來的發(fā)展過程。
1.實(shí)時記錄數(shù)據(jù)常規(guī)的智能電表通常包含兩個系統(tǒng)，一個是計(jì)量系統(tǒng)，提供電表的主要功能，包括一個帶有輸入接口電路和顯示電路的微處理器。另一個是通信系統(tǒng)，這個系統(tǒng)的功能是把計(jì)量的數(shù)據(jù)發(fā)送到外面的數(shù)據(jù)中心，用于數(shù)據(jù)制表，并與計(jì)量系統(tǒng)內(nèi)部的計(jì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行交換。數(shù)據(jù)日志系統(tǒng)（圖1）可以用于兩種系統(tǒng)的通信功能。
圖1. FRAM在智能電表上的應(yīng)用
例如，電網(wǎng)智能電表中的測量單元可使用數(shù)據(jù)日志系統(tǒng)，實(shí)時地記錄能耗和相關(guān)變化。采用這種系統(tǒng)，要求以大約每秒兩次的頻率寫入數(shù)據(jù)。通信單元的數(shù)據(jù)日志系統(tǒng)把數(shù)據(jù)存儲下來，用于監(jiān)控電網(wǎng)的工作狀態(tài)和控制數(shù)據(jù)，保證電能的分配達(dá)到最優(yōu)。比較理想的方法是頻繁記錄這些數(shù)據(jù)，這時FRAM的快速寫入和可以頻繁讀/寫的特性就變得非常有用。
實(shí)時數(shù)據(jù)記錄還能使預(yù)付費(fèi)系統(tǒng)的智能電表變得更加高效。在預(yù)付費(fèi)系統(tǒng)里，要根據(jù)每個特定的時間段進(jìn)行收費(fèi)，如果收費(fèi)的間隔變長，會導(dǎo)致按相同價格計(jì)算的耗電量的波動范圍加大。FRAM具有快速數(shù)據(jù)寫入和功耗小的特點(diǎn)，使用FRAM可以提高數(shù)據(jù)寫入的頻率，而不會增加整個電表的能耗。換句話說，可以時常扣除計(jì)費(fèi)，減少每次計(jì)費(fèi)時能耗數(shù)量波動的現(xiàn)象。
2.減少能耗FRAM有助于減少智能電表的總功耗。使用智能電表，需要監(jiān)控電池的工作過程，以便確保在發(fā)生斷電或在沒有電源的地方出現(xiàn)無法預(yù)料的情況下使電表一直處在工作狀態(tài)，這就是為什么要求電表的耗電量很小的原因。FRAM的功耗非常低，而且在供電中斷的情況下也能保存數(shù)據(jù)，在減小電表功耗方面非常有用。而且FRAM的低功耗有助于延長電池的使用壽命。
3.提高數(shù)據(jù)安全性FRAM的第3個優(yōu)點(diǎn)是具有更好的數(shù)據(jù)安全性。智能電表存儲器保存了家庭用電量的數(shù)據(jù)。保證私人信息的安全，要求電表具有更高的數(shù)據(jù)安全性。FRAM具有防篡改功能，使電表的數(shù)據(jù)安全性比使用傳統(tǒng)存儲器的系統(tǒng)強(qiáng)得多。
圖2. 用于智能電表的FRAM產(chǎn)品線
有生產(chǎn)具有眾多優(yōu)異特性的FRAM技術(shù)做支撐，富士通半導(dǎo)體為客戶提供了各種產(chǎn)品線，包括獨(dú)立的FRAM和面向特定應(yīng)用的LSI，如RFID（射頻識別）IC、驗(yàn)證IC和其他采用FRAM的產(chǎn)品。獨(dú)立FRAM主要用于智能電表。以模塊形式提供的獨(dú)立FRAM兼容3種接口：SPI、I2C和并行接口，密度分別為4Kbit–256Kbit、16Kbit-2Mbit和256Kbit至4Mbit（圖2）。為了響應(yīng)客戶對更小安裝面積的要求，16Kbit I2C和SPI接口的MB85RC16和MB85RS16增加了小型8 pin SON封裝，尺寸為3mm x 2mm。
目前，F(xiàn)RAM已經(jīng)廣泛用于醫(yī)療電子、智能電表以及其他領(lǐng)域中，其原因是FRAM比傳統(tǒng)存儲器具有無可匹敵的優(yōu)勢：在電源發(fā)生故障的時候，快速數(shù)據(jù)寫入能力可以避免數(shù)據(jù)丟失；大量的讀/寫次數(shù)可以讓用戶頻繁地采集數(shù)據(jù)；低功耗特性可以降低系統(tǒng)功耗和延長電池壽命等。隨著更多領(lǐng)域需求的開發(fā)，F(xiàn)RAM無疑將發(fā)揮更大的作用，所以還請留意和關(guān)注富士通半導(dǎo)體在這個領(lǐng)域的未來發(fā)展。
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