極低功耗等優(yōu)勢(shì)助推富士通FRAM在智能水/氣表中嶄露頭角

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)注可見一斑，F(xiàn)RAM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、最新的功率及信號(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。

顛覆對(duì)非易失性存儲(chǔ)器的認(rèn)知

作為非易失性存儲(chǔ)器，F(xiàn)RAM具有接近SRAM和DRAM這些傳統(tǒng)易失性存儲(chǔ)器的級(jí)別的高速寫入速度，讀寫周期是傳統(tǒng)非易失性存儲(chǔ)器的1/30,000，但讀寫耐久性卻是后者的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)于可以從唐朝寫到現(xiàn)在!”蔡振宇在演講中這樣形象地描述FRAM的讀寫耐久性，若按5ms一次讀寫頻率來(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)次讀寫壽命，若按此讀寫頻率，1個(gè)半小時(shí)就會(huì)報(bào)廢，更別說(shuō)只有10萬(wàn)次讀寫壽命的Flash了。另外，F(xiàn)RAM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。

讀寫頻率(ms) 達(dá)到10萬(wàn)億次需要的時(shí)間

(FRAM) 達(dá)到100萬(wàn)次需要的時(shí)間

(EEPROM)

500 158,500 年 五天

5 1585 年 一個(gè)半小時(shí)

0.03 10 年 -

“有人可能會(huì)提到，EEPROM/Flash可以分區(qū)來(lái)操作讀寫以提高壽命，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)論是電池供電還電路供電，采用FRAM后，斷電時(shí)即使需要數(shù)據(jù)寫入操作時(shí)也不需要大電容。

而談到器件功耗本身，F(xiàn)RAM又展現(xiàn)“傲嬌”的一面，EEPROM/Flash讀寫周期較長(zhǎng)，擦寫時(shí)特別耗電，而FRAM讀寫周期短，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，引腳也完全兼容，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、醫(yī)療器械及醫(yī)療電子標(biāo)簽等等行業(yè)率先取得了可喜的成績(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)的最佳解決方案選擇。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，F(xiàn)RAM用于儲(chǔ)存通信歷史數(shù)據(jù)，而在氣表應(yīng)用中，F(xiàn)RAM用于儲(chǔ)存煤氣流量歷史數(shù)據(jù)，在水表應(yīng)用中，F(xiàn)RAM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FAM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?？粗氐牧硗庖粋€(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。”