后來者居上 FRAM助力中國高端醫(yī)療電子系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)計(jì)

 如今，當(dāng)您在一些醫(yī)院就診時(shí)，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(shí)在醫(yī)院中，電子設(shè)備除了要防酒精外，還必須抗輻射，這是因?yàn)獒t(yī)院常常要對貼有RFID標(biāo)簽的物品進(jìn)行輻射消毒，而采用富士通半導(dǎo)體的能夠抵抗高達(dá)50kGy伽瑪射線消毒的非易失性隨機(jī)存儲器——FRAM(鐵電隨機(jī)存儲器)的RFID在通過輻射消毒后數(shù)據(jù)不會被破壞。

除了抗輻射，F(xiàn)RAM還具有高速/高讀寫耐久性和低功耗的特性，這些獨(dú)一無二的優(yōu)勢使得FRAM在醫(yī)療領(lǐng)域脫穎而出，贏得了更廣泛的應(yīng)用和用戶的青睞。“FRAM早已經(jīng)被用于CT掃描機(jī)和其他大型設(shè)備當(dāng)中，在較小型醫(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，內(nèi)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(shù)大會(CMET2014)上，全球領(lǐng)先的FRAM供應(yīng)商富士通半導(dǎo)體的系統(tǒng)存儲器事業(yè)部副總裁松宮正人先生表示。

圖1. 富士通半導(dǎo)體系統(tǒng)存儲器事業(yè)部副總裁松宮正人先生在CMET2014上演講。

非易失性、高速、無需后備電池——滿足醫(yī)療電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)苛刻的性能要求

在關(guān)乎人們生命安全的醫(yī)療電子領(lǐng)域，迫切需要即使是在電源關(guān)閉的狀態(tài)下也能存儲數(shù)據(jù)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(lǐng)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(dú)特優(yōu)勢能夠滿足所有這些醫(yī)療領(lǐng)域的苛刻要求。

與傳統(tǒng)的非揮發(fā)存儲器相比，F(xiàn)RAM的功耗要小很多，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(shí)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(10^ 6次)，F(xiàn)RAM最高可寫入1萬億次，或者說寫入次數(shù)可以達(dá)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(shù)保存數(shù)據(jù)的鐵電存儲器，這意味著在遭受輻射時(shí)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。

“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F(xiàn)RAM產(chǎn)品。去年我們擴(kuò)展了大容量的FRAM產(chǎn)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(chǎn)品線——涵蓋SPI、IIC、并行接口，容量向8Mb邁進(jìn)

如下圖3所示，富士通半導(dǎo)體提供寬泛的FRAM產(chǎn)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(chǎn)品可以代替低功耗SRAM或PSRAM (Pseudo SRAM)。

圖3.富士通半導(dǎo)體 FRAM產(chǎn)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(dǎo)體還會不斷推出更多新品，逐步實(shí)現(xiàn)大容量化。我們已經(jīng)在著手研發(fā)8Mb的產(chǎn)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，F(xiàn)RAM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，F(xiàn)RAM的成本問題是所有使用者所關(guān)心的一個(gè)除了性能以外最重要的因素。FRAM的價(jià)格和存儲容量相關(guān)，容量不同，價(jià)格不同。現(xiàn)在FRAM和EEPROM一般的價(jià)格差距在2～5倍，而在大容量方面，例如1M～2M的FRAM和EEPROM的價(jià)格差距就只有1～2倍，未來隨著FRAM的市場不斷擴(kuò)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(shè)計(jì)到量產(chǎn)及封裝的整個(gè)流程，加上多年的經(jīng)驗(yàn)，富士通半導(dǎo)體因而能始終保證FRAM產(chǎn)品的高質(zhì)量和穩(wěn)定供應(yīng)。富士通半導(dǎo)體還在低功耗制造工藝上不斷創(chuàng)新，進(jìn)一步降低成本價(jià)格，實(shí)現(xiàn)大容量化。

“在要求高可靠性，高速/高耐久性數(shù)據(jù)讀寫，低功耗，抗輻射等這些人命關(guān)天的醫(yī)療設(shè)備中，F(xiàn)RAM將得到100%的應(yīng)用。” 松宮正人先生表示。

實(shí)例分享——為醫(yī)療電子應(yīng)用增添實(shí)用價(jià)值

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。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(shè)備中的備用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。下面將通過實(shí)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(lǐng)域的應(yīng)用

首先，在CT掃描機(jī)中使用FRAM，不用更換電池。早在3、4年前就有設(shè)備制造商開始在CT掃描機(jī)中使用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，目的之一是控制系統(tǒng)以確定什么時(shí)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)生器的性能會因?yàn)榉磸?fù)使用而惡化，這些元器件必須定期更換。在這些地方，F(xiàn)RAM被用作控制系統(tǒng)的存儲器設(shè)備，用來記錄設(shè)備工作了多少小時(shí)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。另一方面，F(xiàn)RAM還非常適于在CT中用作掃描回轉(zhuǎn)數(shù)，斷層掃描信息的存儲器。

其次，F(xiàn)RAM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)儀就會發(fā)出警報(bào)聲。

“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(shí)間內(nèi)儲存數(shù)據(jù)。” 松宮正人先生說。

第三，當(dāng)FRAM用于呼吸機(jī)(CPAP)中，同樣無需后備電池。設(shè)備制造商正在考慮將FRAM用于自動(dòng)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(shí)的呼吸數(shù)據(jù)，在需要的時(shí)候幫助病人呼吸。

松宮正人先生還指出：“目前，自動(dòng)CPAP使用SRAM存儲數(shù)據(jù)，但使用FRAM就不需要為保存SRAM上的數(shù)據(jù)所需要的電池。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。”

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(xiàn)在的助聽器可以根據(jù)每個(gè)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(gè)記錄系統(tǒng)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(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(gè)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(shí)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(shí)，這個(gè)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(gè)問題迎刃而解。

在RFID標(biāo)簽上使用FRAM——助力RFID IC進(jìn)入醫(yī)療領(lǐng)域

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。

圖6. 富士通半導(dǎo)體FRAM RFID產(chǎn)品系列一覽。

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(gè)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。由于放射線會使采用內(nèi)置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(gè)問題。

如上圖7所示為富士通半導(dǎo)體展臺現(xiàn)場展示的搭載FRAM的RFID芯片，此類電子標(biāo)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(shí)現(xiàn)與微處理器的連接)的特點(diǎn)。

為中國市場提供技術(shù)支持——提高FRAM在中國市場認(rèn)知度

“去年，我們在RFID產(chǎn)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(shí)也是我們的市場機(jī)遇。”松宮正人先生說，“因?yàn)镽FID是根據(jù)客戶使用的場景不同而做的設(shè)計(jì)，這意味著即使從日本拿完全一樣的系統(tǒng)過來，中國客戶也不能直接用。所以，富士通半導(dǎo)體及其合作伙伴可以根據(jù)中國客戶的要求提供各個(gè)層面的技術(shù)支持。”

此外，雖然FRAM在醫(yī)療領(lǐng)域目前已經(jīng)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，F(xiàn)RAM在中國市場的認(rèn)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(yàn)到它的優(yōu)勢和功能。”