小而美的FeRAM 為何二十多年一直屹立不倒？

FeRAM（鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器）應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，從個(gè)人到企業(yè)，從私用到公用，無(wú)所不在。特別是在汽車(chē)電子、工業(yè)控制、表計(jì)以及助聽(tīng)器等領(lǐng)域，F(xiàn)eRAM都展現(xiàn)出了卓越的性能。

日前，在E維智庫(kù)第12屆中國(guó)硬科技產(chǎn)業(yè)鏈創(chuàng)新趨勢(shì)峰會(huì)暨百家媒體論壇上，RAMXEED（原富士通半導(dǎo)體）總經(jīng)理馮逸新詳細(xì)介紹了該公司最新一代FeRAM的特性及其在行業(yè)中的應(yīng)用情況。

差異化特性

FeRAM，也被稱(chēng)為FRAM（盡管“FeRAM”更為學(xué)術(shù)化，而“FRAM”則是Ramtron、Cypress、Infineon的注冊(cè)商標(biāo)），在存儲(chǔ)器的分類(lèi)中，非易失性存儲(chǔ)器和易失性存儲(chǔ)器各有千秋。而FeRAM則巧妙地結(jié)合了這兩者的優(yōu)點(diǎn)：它像SRAM、DRAM一樣支持隨機(jī)覆蓋寫(xiě)入，無(wú)需擦除操作，寫(xiě)入速度快；同時(shí)，它又具備非易失性存儲(chǔ)器的特點(diǎn)，能夠在斷電后保存數(shù)據(jù)。此外，F(xiàn)eRAM的讀寫(xiě)速度更是達(dá)到了納秒級(jí)，遠(yuǎn)超NOR Flash和EEPROM。更重要的是，F(xiàn)eRAM的讀寫(xiě)耐久性極高，可達(dá)1013次，相當(dāng)于無(wú)限次讀寫(xiě)，這是EEPROM和NOR Flash所無(wú)法比擬的。

正是基于這些特點(diǎn)，F(xiàn)eRAM在實(shí)時(shí)寫(xiě)入、掉電保護(hù)等應(yīng)用場(chǎng)景中展現(xiàn)出了不可替代的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。特別是在電表等需要頻繁讀寫(xiě)的應(yīng)用中，F(xiàn)eRAM更是成為了首選。從整個(gè)存儲(chǔ)器市場(chǎng)來(lái)看，NOR Flash、NAND Flash和DRAM占據(jù)了98%的份額，而包括FeRAM在內(nèi)的利基市場(chǎng)則占據(jù)了剩余的2%。盡管份額不大，但FeRAM卻以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，在這個(gè)市場(chǎng)中扮演著舉足輕重的角色。它不僅能夠替代EEPROM、SARM、MRAM等存儲(chǔ)器，還展現(xiàn)出了廣泛的應(yīng)用前景。

近年來(lái)，ReRAM（電阻式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器）作為新興存儲(chǔ)器技術(shù)備受矚目，被視為未來(lái)可能替代NOR Flash的候選者。然而，目前ReRAM的量產(chǎn)容量仍有限，最大僅為12Mb。要真正替代NOR Flash，ReRAM的容量還需大幅提升至16Mb至1Gb之間。目前，包括海力士、中芯國(guó)際等知名半導(dǎo)體公司都在積極研發(fā)ReRAM相關(guān)技術(shù)。

作為實(shí)現(xiàn)ReRAM量產(chǎn)的少數(shù)半導(dǎo)體供應(yīng)商之一，RAMXEED的ReRAM產(chǎn)品已達(dá)到12Mb的容量。ReRAM可以被視為EEPROM的加強(qiáng)版，具有更大的容量、更小的die（芯粒）尺寸和更低的讀出功耗。這些特性使得ReRAM特別適合于助聽(tīng)器等對(duì)寫(xiě)入需求不高、但對(duì)讀出功耗和尺寸有嚴(yán)格要求的應(yīng)用場(chǎng)景。

行業(yè)應(yīng)用

馮逸表示，在FeRAM的供應(yīng)版圖中，富士通與英飛凌占據(jù)主導(dǎo)地位。值得一提的是，通過(guò)收購(gòu)CYPRESS（而CYPRESS此前又收購(gòu)了Ramtron），英飛凌進(jìn)一步鞏固了其在FeRAM市場(chǎng)的地位。不過(guò)，在晶圓代工方面，英飛凌現(xiàn)已轉(zhuǎn)向與TI合作。

FeRAM和ReRAM在市場(chǎng)中各有定位。以容量為縱坐標(biāo)，讀寫(xiě)次數(shù)為橫坐標(biāo)來(lái)看，ReRAM作為EEPROM的升級(jí)版，擁有稍大的容量。而FeRAM與MRAM（磁阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器）則以其高速讀寫(xiě)和低功耗特性著稱(chēng)，但相較而言，MRAM存在功耗高和易受磁場(chǎng)影響的缺點(diǎn)。

富士通的FeRAM在多個(gè)領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。在智能電網(wǎng)領(lǐng)域，包括光伏發(fā)電、儲(chǔ)能、變電以及汽車(chē)充電樁等方面，F(xiàn)eRAM是富士通深耕中國(guó)大陸市場(chǎng)二十多年的重要產(chǎn)品之一。此外，F(xiàn)eRAM還廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、船舶、工程機(jī)械等領(lǐng)域，如新能源汽車(chē)管理系統(tǒng)、TBOX、行車(chē)記錄儀等。

在工廠自動(dòng)化方面，富士通的FeRAM服務(wù)于施奈德、西門(mén)子等世界知名企業(yè)，特別是在磁式旋轉(zhuǎn)編碼器應(yīng)用中，富士通的帶有二進(jìn)制計(jì)數(shù)器的FeRAM的無(wú)源設(shè)計(jì)和高速寫(xiě)入、耐久讀寫(xiě)、超低功耗特性使其成為實(shí)現(xiàn)無(wú)電池編碼器的關(guān)鍵。

醫(yī)療領(lǐng)域也是FeRAM的重要市場(chǎng)，如助聽(tīng)器、呼吸機(jī)、CT掃描和病房監(jiān)護(hù)儀等設(shè)備中均有應(yīng)用。在游戲機(jī)領(lǐng)域，F(xiàn)eRAM因其精確記錄關(guān)鍵數(shù)據(jù)的能力而受到青睞。在云計(jì)算領(lǐng)域，F(xiàn)eRAM作為高速讀寫(xiě)的新一代存儲(chǔ)器，在RAID控制卡中有重要應(yīng)用。此外，樓宇自動(dòng)化、5G通訊、標(biāo)簽和智能卡、可穿戴設(shè)備等也是FeRAM的潛在市場(chǎng)。

特別值得一提的是，F(xiàn)eRAM在記錄故障信息方面發(fā)揮著重要作用，如在智能電網(wǎng)、繼電保護(hù)器、光伏逆變器、儲(chǔ)能系統(tǒng)等領(lǐng)域，F(xiàn)eRAM能夠?qū)崟r(shí)記錄故障信息，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并恢復(fù)運(yùn)行狀態(tài)。

此外，富士通還積累了無(wú)線供電技術(shù)（FRID）和微弱信號(hào)識(shí)別技術(shù)。FeRAM不僅用于記錄故障信息，還在汽車(chē)電子、BMS、電池護(hù)照、卡車(chē)行車(chē)記錄、光模塊、IOT控制器、服務(wù)器RAID控制卡等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。在這些應(yīng)用中，與EEPROM相比，F(xiàn)eRAM具有更大的容量、更高的讀寫(xiě)次數(shù)和更好的成本優(yōu)勢(shì)。

馮逸表示，富士通在FeRAM的產(chǎn)品升級(jí)方面做了大量工作，包括開(kāi)發(fā)Quad SPI等新產(chǎn)品，以提升在高端應(yīng)用中的競(jìng)爭(zhēng)力。

迭代升級(jí)和創(chuàng)新

在90年代，當(dāng)Ramtron首次將FeRAM推向市場(chǎng)時(shí)，其主要定位是替換EEPROM，實(shí)現(xiàn)pin to pin和軟件的互換。EEPROM具有SPI接口、I2C接口和并口接口，F(xiàn)eRAM也同樣具備這些接口。在SPI接口方面，富士通擁有豐富的產(chǎn)品線，并不斷進(jìn)行產(chǎn)品升級(jí)，包括提升工作溫度至125度（超越常規(guī)的85度工業(yè)溫度標(biāo)準(zhǔn)）、提高工作頻率，并滿足市場(chǎng)對(duì)更小封裝的需求，提供DFN 8封裝。

富士通開(kāi)發(fā)的新一代FeRAM展現(xiàn)出快速的工作頻率，達(dá)到了50MHz的速度，相較于MRAM，F(xiàn)eRAM具有明顯優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，富士通還在研發(fā)Quad（四線）SPI產(chǎn)品，以滿足游戲機(jī)和高端FA應(yīng)用對(duì)更高速度的需求。相比傳統(tǒng)SPI，Quad SPI在許多應(yīng)用上具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。

在I2C產(chǎn)品方面，富士通主要用于電表計(jì)量，并對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品線進(jìn)行了升級(jí)，包括提高工作溫度，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了3.4Mb的最高速度，遠(yuǎn)超常規(guī)的1Mb。雖然并口類(lèi)產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)使用較少，但富士通仍進(jìn)行了產(chǎn)品升級(jí)，提高了工作溫度。

隨著市場(chǎng)需求的增長(zhǎng)，富士通近兩年在汽車(chē)級(jí)產(chǎn)品方面也進(jìn)行了大量升級(jí)，包括新能源電池包、BMS、TBOX、行車(chē)記錄儀以及胎壓監(jiān)測(cè)等，這些產(chǎn)品通常需要SPI接口并滿足AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，富士通還補(bǔ)充了I2C接口的汽車(chē)級(jí)產(chǎn)品線，并實(shí)現(xiàn)了大容量和小封裝。

然而，F(xiàn)eRAM在市場(chǎng)上的應(yīng)用量受限于容量小和成本高的瓶頸。為了突破這些限制，富士通計(jì)劃通過(guò)疊加die的方式實(shí)現(xiàn)更大容量，如8Mb基礎(chǔ)上疊加2個(gè)die達(dá)到16Mb，疊加4個(gè)die達(dá)到32Mb。

富士通的未來(lái)計(jì)劃包括發(fā)展無(wú)需電池的SRAM+battery替代品，以及使用堆疊技術(shù)實(shí)現(xiàn)SRAM+EEPROM（或NVSRAM）的替代。同時(shí)，富士通還在研發(fā)新的技術(shù)，以提高FeRAM的速度，目標(biāo)是在下一代技術(shù)中實(shí)現(xiàn)35ns的訪問(wèn)速度，與MRAM和SRMA相抗衡。

結(jié)語(yǔ)

1996年，Ramtron公司率先將FeRAM推向市場(chǎng)，當(dāng)時(shí)富士通作為Ramtron的晶圓代工服務(wù)伙伴，共同見(jiàn)證了FeRAM的誕生。歷經(jīng)二十多年的不懈探索，富士通（現(xiàn)RAMXEED）已向全球市場(chǎng)交付了高達(dá)44億片的FeRAM產(chǎn)品。

未來(lái)，富士通將根據(jù)市場(chǎng)需求繼續(xù)研發(fā)更高速度的FeRAM，并拓展其應(yīng)用范圍至FA、樓宇控制、RAID控制卡、FPGA的程序存儲(chǔ)等領(lǐng)域。在2025年之后，富士通計(jì)劃進(jìn)一步提升FeRAM的速度和性能，以滿足市場(chǎng)的不斷變化和發(fā)展。