智能化與物聯(lián)網(wǎng)的大潮中，F(xiàn)RAM助力三表設(shè)計(jì)新突破

 前些年隨著一部輕喜劇的播出，“查水表”一詞已被引申為調(diào)侃之語(yǔ)了。而伴隨著智能化大潮的到來(lái)，這個(gè)曾與我們老百姓生活息息相關(guān)的詞在日常生活中也正與我們漸行漸遠(yuǎn)，因?yàn)閭鹘y(tǒng)三表已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了智能計(jì)量和無(wú)線數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)和無(wú)線采集。作為其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的低功耗和可靠性越來(lái)越受到關(guān)注。在不久前閉幕的智能水/氣計(jì)量產(chǎn)業(yè)鏈高峰論壇(WATER & GAS METERING China2016)上，富士通電子元器件(上海)有限公司亞太區(qū)市場(chǎng)部總經(jīng)理王鈺針對(duì)三表數(shù)據(jù)存儲(chǔ)發(fā)表了專(zhuān)題演講。

作為三表中智能化走得較早的電表，其智能化普及程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于氣表和水表，業(yè)界曾預(yù)測(cè)智能電表的普及率在2016年將超過(guò)90%。“富士通全球FRAM存儲(chǔ)器銷(xiāo)量在2015年就已經(jīng)累計(jì)超過(guò)25億片，而這其中很大部分是應(yīng)用于電表中的，而中國(guó)是全球電表制造的中心。”王鈺指出。然而，水表/氣表的電氣化能力和電表相比還有相當(dāng)大的差距。“FRAM在水/氣表中的應(yīng)用也能看出這點(diǎn)，水/氣表的智能化剛剛開(kāi)始，遠(yuǎn)較電表落后，但趨勢(shì)已經(jīng)啟動(dòng)，目前陸續(xù)已經(jīng)有十多家水/氣表公司采用我們的方案批量上市。”王鈺介紹道，“而階梯價(jià)格政策，也進(jìn)一步推動(dòng)著智能水氣表計(jì)的發(fā)展，對(duì)于水/氣表的性能有了更高的要求。以FRAM為代表的高性能方案正在迎來(lái)好的機(jī)遇。”

圖1：計(jì)量行業(yè)人氣齊聚、濟(jì)濟(jì)一堂的富士通FRAM主題演講會(huì)場(chǎng)

水氣計(jì)量智能化的存儲(chǔ)新需求

階梯收費(fèi)要求水表/氣表存儲(chǔ)更多的信息，而且還要低功耗，這對(duì)于水表/氣表存儲(chǔ)關(guān)鍵數(shù)據(jù)的器件就提出了更高的要求。特別是為建設(shè)節(jié)水型社會(huì)，國(guó)家相關(guān)部門(mén)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，特別是對(duì)存儲(chǔ)器功耗、耐久性和可靠性提出新的需求。

“隨著階梯水價(jià)政策的提出，我國(guó)的水/氣都在漲價(jià)，漲價(jià)的原因在于階梯收費(fèi)會(huì)增加水表/氣表的成本，因?yàn)殡A梯收費(fèi)要求水表/氣表能存儲(chǔ)更加多的信息，而且還要低功耗，這對(duì)于水表/氣表存儲(chǔ)關(guān)鍵數(shù)據(jù)的器件就提出更高的要求。”王鈺指出。

圖2：幾種存儲(chǔ)解決方案的性能對(duì)比

傳統(tǒng)的三表存儲(chǔ)方案通?；贓EPROM或Flash實(shí)現(xiàn)，然而，這兩類(lèi)器件在性能上有明顯的不足。“EEPROM和Flash存儲(chǔ)器能寫(xiě)入大約100萬(wàn)次，如果按0.5秒記錄一次數(shù)據(jù)計(jì)算， EEPROM僅5天就將“壽終正寢”，難以支持實(shí)時(shí)記錄的要求。”王鈺表示。據(jù)悉，使用EEPROM時(shí)，很多廠商為了避免達(dá)到EEPROM的寫(xiě)入極限，頻繁使用EEPROM/Flash的耗損均衡技術(shù)(wear leveling)。此外，作為電池供電的設(shè)備，水/氣表的功耗也是需要考慮的問(wèn)題，如何在存儲(chǔ)環(huán)節(jié)省下每一個(gè)uW的功耗?

FRAM是克服存儲(chǔ)三大痛點(diǎn)的正解

“FRAM存儲(chǔ)作為EEPROM的‘天然’替代解決方案，已經(jīng)在智能電表中獲得普及性應(yīng)用。”王鈺指出，“這種替代行動(dòng)大約從2015年前就開(kāi)始了。隨著FRAM技術(shù)的成熟，產(chǎn)品更加廣泛、價(jià)格逐漸走低，已經(jīng)成為當(dāng)前智能電表的主流選擇。全球電力儀表知名企業(yè)Top 10中已有6家的電表在采用富士通 FRAM!而在水/氣表行業(yè)，目前正像四、五年前的智能電表行業(yè)一樣，F(xiàn)RAM正在迅速導(dǎo)入到業(yè)界的新方案設(shè)計(jì)中。”

FRAM為何能續(xù)寫(xiě)智能電表行業(yè)“攻城略地”的成功?王鈺認(rèn)為主要緣于FRAM完美地從以下三方面解決了水/氣表設(shè)計(jì)的痛點(diǎn)：

Ø FRAM為超低功耗非易失性存儲(chǔ)器，功耗預(yù)算極低(富士通FRAM 功耗僅為EEPROM的1/50);

Ø FRAM具有高速寫(xiě)入特點(diǎn)，無(wú)須超級(jí)電容;

Ø FRAM具有高讀寫(xiě)耐久性，運(yùn)行軟件簡(jiǎn)單，無(wú)須耗損均衡(wear leveling)。

圖3：FRAM顯著的讀寫(xiě)速度優(yōu)勢(shì)

水表/氣表都是采用電池供電的設(shè)備，里面的電池需要使用10-15年，因此功耗預(yù)算非常敏感，電路的所有環(huán)節(jié)都需要盡量降低功耗。“FRAM本身功耗就很低，加之富士通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。”。王鈺在演講中介紹道，在相同的比較條件下(比較元件容量為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!

據(jù)悉，F(xiàn)LASH的讀寫(xiě)時(shí)序是先擦除、然后發(fā)送寫(xiě)入指令、再寫(xiě)入，這個(gè)過(guò)程耗時(shí)0.5秒之久!EEPROM相比Flash明顯快很多，但是需要一直等到寫(xiě)入完成。而FRAM直接發(fā)布寫(xiě)入指令即完成數(shù)據(jù)寫(xiě)入的動(dòng)作，只需極短的時(shí)間。“更關(guān)鍵的是，這么長(zhǎng)的讀寫(xiě)時(shí)間有可能導(dǎo)致EEPROM或Flash數(shù)據(jù)寫(xiě)入期間發(fā)生電源中斷，數(shù)據(jù)有丟失的風(fēng)險(xiǎn)!”王鈺指出。

“其次，F(xiàn)RAM的可靠性還體現(xiàn)在遠(yuǎn)比EEPOM或Flash具備更多的讀寫(xiě)次數(shù)。FRAM的讀寫(xiě)次數(shù)最大可達(dá)10萬(wàn)億次，可實(shí)現(xiàn)高頻繁的數(shù)據(jù)紀(jì)錄，比如實(shí)時(shí)記錄，這是EEPROM或Flash很難支持的。”王鈺在演講中強(qiáng)調(diào)道。

據(jù)王鈺介紹，使用EEPROM時(shí)，很多廠商為了避免達(dá)到EEPROM的寫(xiě)入極限，頻繁用到EEPROM/Flash的耗損均衡技術(shù)(wear leveling)。例如，MCU將數(shù)據(jù)流D1到Dn發(fā)送到EEPROM，將EEPROM分成四個(gè)存儲(chǔ)區(qū)域，第一個(gè)數(shù)據(jù)寫(xiě)入到區(qū)域一的地址一中，第二個(gè)數(shù)據(jù)寫(xiě)入地址二中，第二次將第一個(gè)數(shù)據(jù)寫(xiě)入到存儲(chǔ)區(qū)域二的地址一，第三次、第四次……從而將寫(xiě)入耐久性提高四倍。FRAM的讀寫(xiě)次數(shù)多(高耐久性)，根本不需要使用耗損均衡技術(shù)，從而可實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器的小容量化，降低軟件的復(fù)雜度和漏洞混入的可能性。

圖4：水表、電表和氣表，它們都擁有共同的性能卓越的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器——FRAM

存儲(chǔ)“獨(dú)門(mén)秘籍”是怎樣煉成的

FRAM作為一種獨(dú)特的存儲(chǔ)器件，近年來(lái)在三表應(yīng)用、醫(yī)療、工業(yè)控制、物聯(lián)網(wǎng)、傳感器網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域的應(yīng)用風(fēng)生水起，而在這些應(yīng)用中，幾乎總能看到富士通的身影。“我們的FRAM產(chǎn)品線相當(dāng)寬泛，容量從4Kb到4Mb，涵蓋SPI和IIC串行接口、并行接口。”王鈺表示。據(jù)悉，由于掌握著從研發(fā)、設(shè)計(jì)到量產(chǎn)及封裝的整個(gè)流程，加上多年豐富的經(jīng)驗(yàn)，富士通半導(dǎo)體能始終保證FRAM產(chǎn)品的高品質(zhì)和穩(wěn)定供應(yīng)。未來(lái)富士通半導(dǎo)體還將不斷推出更多新品，逐步實(shí)現(xiàn)大容量化。據(jù)悉，富士通已經(jīng)開(kāi)始著手研發(fā)8Mb的產(chǎn)品。

圖5：完全兼容EEPROM，設(shè)計(jì)無(wú)需更改

FRAM在性能上的優(yōu)勢(shì)是顯而易見(jiàn)的，但作為計(jì)量產(chǎn)品，無(wú)論是水/氣表還是電表方案，客戶首要關(guān)注的是質(zhì)量。 “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)16年，累計(jì)銷(xiāo)售達(dá)到25.8億片，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)景是我們的FRAM在客戶的電表產(chǎn)品中獲得廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一。” 王鈺指出。

此外，產(chǎn)品兼容性也是王鈺比較強(qiáng)調(diào)的方面，客戶無(wú)需對(duì)其當(dāng)前的方案做出任何修改：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(chǎn)品可以代替低功耗SRAM或PSRAM (Pseudo SRAM)。在封裝方面，目前FRAM基本可以直接替換EEPROM， FRAM的封裝和EEPROM的封裝是完全兼容的。

“中國(guó)市場(chǎng)已經(jīng)成為富士通FRAM在全球最大的潛力市場(chǎng)。我們?cè)诋a(chǎn)品的價(jià)格、交貨、工廠產(chǎn)能分配及技術(shù)支持等方面都給予了中國(guó)客戶很大支持。”王鈺表示。在本次論壇中，富士通再次與來(lái)自政府、水/氣表設(shè)計(jì)生產(chǎn)廠家以及自來(lái)水和燃?xì)夤径鄬用婊?dòng)交流，F(xiàn)RAM的卓越特性受到業(yè)界的深度關(guān)注，繼智能電表之后，F(xiàn)RAM在水表和氣表行業(yè)正在迎來(lái)又一個(gè)春天。