媒體聚焦 | FRAM應(yīng)用淺記——只談創(chuàng)新案例

近年來隨著智能三表、物聯(lián)網(wǎng)、醫(yī)療器械及醫(yī)療電子標(biāo)簽、汽車后裝設(shè)備、以及工業(yè)傳感網(wǎng)絡(luò)的快速增長，F(xiàn)RAM存儲器以及FRAM微控制器的應(yīng)用越來越多。似乎幾年前電子工程專輯的報道還傾向于把FRAM（那時候遇到的縮寫還是以FeRAM居多）作為一種新的存儲方式來報道，而現(xiàn)在，越來越多的應(yīng)用借FRAM的特性實現(xiàn)了自身在可靠性、性能等方面的突破。

在上周舉辦的2015易維訊年度ICT媒體論壇上，來自富士通半導(dǎo)體上海有限公司市場部經(jīng)理蔡振宇先生與媒體分享了公司的FRAM產(chǎn)品，其中舉了一些行業(yè)應(yīng)用的案例尤為吸引，很多時候，一款簡單的新的器件往往能為設(shè)計者的終端產(chǎn)品帶來革命性的突破。

富士通的FRAM主要包括三大類，除了單體FRAM，另外兩類是RFID FRAM和認證FRAM。本文所提到的一些創(chuàng)新應(yīng)用，主要是基于后兩類FRAM。

FRAM RFID是比較新的產(chǎn)品。目前市場上常用的RFID產(chǎn)品嵌入的是EEPROM，若是換成FRAM+RFID，讀寫速度會比EEPROM快很多，抗輻射性比EEPROM高的也不僅一個數(shù)量級。

下圖為FRAM RFID與EEPROM RFID的比較：

使用案例一：高速收費

在高速收費領(lǐng)域，蔡振宇先生舉了身邊的案例。

在廣東，有些交通的收費、公路收費卡，有朋友表示進站和出站的時候就讀不出來，因為用的頻率比較高，超過一百萬次沒辦法把數(shù)據(jù)讀出來，若使用FRAM RFID則不會讀到極限（10的12次方我是數(shù)不過來）。

FRAM讀和寫的距離一樣?！爱?dāng)您使用RFID產(chǎn)品的時候，寫的距離比讀的距離近一些，最簡單的例子，您可能拿一個RFID的讀寫頭，你讀的時候距離可能做到兩米，真正把信息寫到RFID里可能只有一米的距離，因為他里面嵌入的是EEPROM，讀的時候有一個升壓，會把整個電壓升到9伏、12伏才能寫。RFID是要通過收集場上的電場能量寫，勢必需要把讀頭更靠近才能把電壓升高，所以有這個問題在里面，造成它讀和寫的距離不是一樣?！?蔡振宇先生解釋到。而FRAM可以做到一樣讀和寫的距離。

容量更大一點?！拔覀兒湍壳俺Ｓ玫腅EPROM比起來，RFID會大一點。市面上比較多的RFID產(chǎn)品都是128個bit或是512Bit，客戶有需要往里面多放信息，EEPROM可能不能滿足客戶的需求?！辈陶裼钕壬硎?。

使用案例二：工廠自動化和維護的應(yīng)用

汽車生產(chǎn)線例如大眾，他們每年的生產(chǎn)量都會往上提，因為在整個汽車生產(chǎn)中使用了RFID，如果要把生產(chǎn)線、流水線變快的話，那么RFID讀取速度要變快，就需要更快的流水線運轉(zhuǎn)速度。富士通的128C就成功的運用在這樣的領(lǐng)域。

還有一個是波音飛機使用FRAM RFID，大家知道飛機過一段時間需要大修、年檢，每個零件可以讀取，可以把維修記錄通過RFID反映出來，可以知道哪個部件要壞了，哪個部件可能有問題要更換，類似這樣的工作。

使用案例三：醫(yī)療和醫(yī)藥

在醫(yī)療和醫(yī)藥中用了很多RFID新的產(chǎn)品，像手術(shù)臺的追溯，藥劑盒子，類似于穿刺、血透的管子，美國和歐洲的國家會有很多接觸到醫(yī)療器械的地方，需要經(jīng)過伽瑪放射性消毒，F(xiàn)RAM對輻射有很強的耐受性。

基于FRAM的RFID可輕松通過標(biāo)準(zhǔn)醫(yī)療滅菌過程，而基于EEPROM的RFID在這一過程會被擦除。

“從目前的情況來講，原來是美國和歐洲的要求比較多，慢慢我們看到，中國的醫(yī)院和中國客戶也慢慢提出此類需求。目前市場上只有我們的FRAM的RFID能夠滿足這些需求?！?蔡振宇先生表示。

使用案例四：冷鏈控制

在冷鏈控制中，如果您要追溯運輸途中每一個節(jié)點溫度的變化，如何保證整個運輸途中都能在這個溫度以下？就需要在整個車箱里加一個RFID的模塊，實時把數(shù)據(jù)傳到接收端，客戶讀一下就可以看出一小時運輸范圍內(nèi)有沒有超過溫度系數(shù)、溫度范圍，擁有SPI接口的FRAM可以實現(xiàn)這樣的應(yīng)用。

有位杭州客戶是做疫苗運輸?shù)模幸粋€集裝箱柜，需要實時記錄溫度的系數(shù)和溫度運送時的具體溫度，以前是運用主動標(biāo)簽，一個點一百多塊人民幣，車?yán)镒鲆粋€wifi的節(jié)點，送到駕駛室，目的地再把節(jié)點的數(shù)據(jù)讀出來。

改為富士通的方案后，一個結(jié)點是簡單的MCU加溫度模塊加FRAM的RFID就可以了，運輸?shù)綌?shù)據(jù)可以RFID五個點一讀，就可以把運送的流程拿出來，給客戶省了不少錢，一百多塊的主動標(biāo)簽還是比較貴，采用我們的方案基本上可以降到一半的成本。

“我個人認為，除了冷鏈控制，除了常用的RFID領(lǐng)域，我們的標(biāo)簽都可以適用，由于成本上的原因，在其他的物流上，我們的標(biāo)簽運用少一些。” 蔡振宇先生表示。

使用案例五：打印機墨盒與內(nèi)窺鏡

這個案例講的是FRAM的認證芯片。

大家可能用過佳能、EPSON的打印機，打印機只認自己的墨盒，假的墨盒它就會彈出來，提示你用了盜版的墨盒。這種打印機就是加了富士通的認證芯片。

其中的原理很簡單，把芯片放在打印機里面，一個芯片放在墨盒里。打印機取墨像對暗號一樣。為這種應(yīng)用設(shè)計的認證芯片，里面有AES128加密的數(shù)據(jù)，出廠前就和廠商談好，每種不同的打印機和墨盒有對應(yīng)的暗號，通過這種方式進行驗證，客戶的知識產(chǎn)權(quán)可以得到保護。

因為打印機取墨是頻繁的，一天要打幾十次，在公司一天打幾百次都有可能，EEPROM過一段時間就沒辦法使用了。所以FRAM的性能這個時候充分滿足了客戶的需求。

“我們現(xiàn)在在國內(nèi)遇到一個客戶，是做有線內(nèi)窺鏡，內(nèi)窺鏡有一個轉(zhuǎn)換頭，他希望那個頭一定要匹配他的內(nèi)窺鏡片的頭，于是把認證芯片加到內(nèi)窺鏡的頭里，做到類似于墨盒的工作，自己的機器只能配自己的頭。這個芯片的本身會比較簡單?！辈陶裼钕壬硎?。

附錄：鐵電資料

為什么叫鐵電？

FRAM鐵電存儲器的產(chǎn)品，為什么叫鐵電？是把DRAM和SRAM的快速讀寫和Random讀寫的特點，加上Flash和EEPROM，掉電可以繼續(xù)保持?jǐn)?shù)據(jù)特點相結(jié)合的Memory，又可以做到像SRAM的隨機讀取，又可以像Flash和EEPROM一樣掉電后重要數(shù)據(jù)保存的特點。

下圖可以看到FRAM內(nèi)部的簡單構(gòu)造，從整個工藝角度是上下兩層電核，最基本的區(qū)別是在于中間一層的PZT膜，把紫色的部分放大以后，邊上是整個鉛原子的構(gòu)造，中間藍色的是氧原子的摻雜，中間最關(guān)鍵，紅球它是貴金屬的原子，上面兩個電場的作用下會上下移動，鐵元素會有磁滯極化的運動，我們運用它的特點來記錄。原子運行到上面我們認為是0的位置，運行到下面我們定義為1，通過判斷這兩個位置來判斷數(shù)據(jù)是零還是1。FRAM的寫周期一般是150納秒的數(shù)量級。現(xiàn)在有20納秒數(shù)量級。

（1）當(dāng)一個電場被加到鐵電晶體時，中心離子順著電場的方向在晶體里移動，當(dāng)離子移動時，它通過一個能量壁壘，從而引起電荷擊穿。 內(nèi)部電路感應(yīng)到電荷擊穿并設(shè)置記憶體。

（2）移去電場后中心離子保持不動，記憶體的狀態(tài)也得以保存。

（3） 材料本身的遲滯特性的兩個穩(wěn)定點代表0或1的極化值

讀寫次數(shù)方面FRAM至少保證10的12次方， EEPROM和FLASH都是100萬次，SRAM是無限次擦寫。讀寫時的功耗FRAM的平均值是10個微安，EEPROM、 FLASH和SRAM都是毫安級的。

下圖FRAM，EEPROM，F(xiàn)LASH，SRAM數(shù)據(jù)寫方式、寫周期、讀寫耐久性、功耗方面的對比。簡而言之：多、快、省。

鐵電有多快？

在現(xiàn)場蔡振宇先生為大家準(zhǔn)備了一個DEMO，把數(shù)據(jù)寫到FRAM和EEPROM里，從FRAM來說，用了0.5秒去存儲2兆的數(shù)據(jù)，F(xiàn)LASH大概用了2.9秒，EEPROM存2兆數(shù)據(jù)用了13.4秒。從這個比較來看，F(xiàn)RAM快速讀寫的速度的特點是很明顯的。

FRAM性能優(yōu)勢

蔡振宇先生總結(jié)了FRAM的性能優(yōu)勢。

無需后備電池：在很多供電領(lǐng)域比如說數(shù)控機床和重工業(yè)很擔(dān)心要實時記錄機床，比如說XY軸的位置。工廠斷電前要把重要數(shù)據(jù)存儲下來，數(shù)據(jù)量很大的情況下，以前都是加上后備電池，用了FRAM就可以把后備電池拿掉，后備電池有很多的問題，會漏電，維修麻煩，我們可以減少維護、保養(yǎng)的時間，做到環(huán)保。

快速讀寫：IOT、物聯(lián)網(wǎng)，很大一部分就是要做到信息數(shù)據(jù)實時、頻繁的記錄，F(xiàn)RAM可以允許大家快速、頻繁的擦寫。

抗輻射性：FRAM獨有的特性是抗輻射性，2011年福島海嘯有核泄漏，F(xiàn)RAM可以抗核輻射的釋放，普通的EEPROM被伽瑪射線照射，數(shù)據(jù)會設(shè)計破壞。FRAM是會維持現(xiàn)狀，我們推出RFID，它應(yīng)用醫(yī)療和工業(yè)領(lǐng)域，需要大量輻射的場合，

基于這些特點，F(xiàn)RAM發(fā)展出主要的應(yīng)用，包括工業(yè)類應(yīng)用、汽車黑匣子、ATM等需要存儲重要數(shù)據(jù)的地方，以及電梯、新能源等。