【導讀】隨著新能源汽車產業(yè)和自動駕駛技術的推廣，汽車半導體市場正迎來黃金發(fā)展時期。有資料顯示，對于 L1 到 L5 等級的自動駕駛而言，在 L1 時自動駕駛的半導體成本只有約 150 美金，到 L3 等級提升至 600 美金，上升到 L4、L5 等級，整車的半導體成本將會達到 1200 美金。而這個快速增長的市場中，存儲產品和技術并不為主流媒體關注。
富士通電子元器件(上海)有限公司產品管理部總監(jiān)馮逸新也在近日的一次活動中表示：“隨著新基建的部署，充電樁的普及將快速促進新能源汽車的普及，無論是樁側還是車側，未來都將催生更多的高性能存儲應用需求。”該公司作為非易失性內存FRAM的市場主力提供商，正以滿足汽車市場需求最佳的性能迎來市場增長的甜蜜期。作為已經(jīng)量產FRAM 20年之久，出貨超過41億顆的富士通，其自2017年開始先后推出多款可在高達125℃高溫環(huán)境下運作的車規(guī)級FRAM產品，經(jīng)過僅僅兩年時間的市場推廣，目前已成功打入了東風、金龍、宇通、上汽通用五菱、華晨寶馬、一汽、御捷、江淮、奇瑞等整車廠的諸多Tier-1、Tier-2供應鏈。
富士通AEC-Q100 Grade 1車規(guī)級FRAM產品線
極高耐久性、可靠性和極低遲延，特別的存儲器給特別的汽車應用
隨著5G、車聯(lián)網(wǎng)等概念的興起，整車ADAS、車載娛樂等功能正逐漸成為新一代智能汽車的標配，而多傳感器融合以及大屏、多屏顯示賦能下的車載軟硬件系統(tǒng)無疑需要搭載更多的車載存儲器。同時，這些存儲器由于分布于各種不同類型的車載終端和硬件系統(tǒng)當中充當圖像、視頻甚至語音等數(shù)據(jù)內容的核心載體，其用量以及數(shù)據(jù)儲存特性方面的需求往往大相徑庭——或者經(jīng)常進行數(shù)據(jù)擦寫，或者需要更長的循環(huán)壽命，或者需要超高可靠性，等等。所以，要想成功打入車載存儲市場，幾乎沒有一個完全的方案，獨特性能滿足特定應用場景存儲需求的細分市場受到關注。
以新能源汽車中最核心技術之一VCU（整車控制單元）為例，VCU是整個控制系統(tǒng)的核心，通過采集電機及電池狀態(tài)、加速踏板信號、制動踏板信號及其它執(zhí)行器傳感器控制器信號，可根據(jù)駕駛員的駕駛意圖綜合分析并做出相應判定后，監(jiān)控下層的各部件控制器的動作。它負責汽車的正常行駛、制動能量回饋、整車發(fā)動機及動力電池的能量管理、網(wǎng)絡管理、故障診斷及處理、車輛狀態(tài)監(jiān)控等，從而保證整車在較好的動力性、較高經(jīng)濟性及可靠性狀態(tài)下正常穩(wěn)定的工作，可謂是汽車的大腦。
FRAM在整車控制單元VCU中的應用
“VCU系統(tǒng)需要以每秒一次的速度去記錄汽車行駛的當前狀態(tài)以及發(fā)生故障時的變速器擋位、加速狀況、剎車和輸出扭矩等信息，而采用FRAM可以通過更簡單的軟件進行存儲與讀取，同時保證高速和高可靠性。”馮逸新介紹道。今年5月，富士通最新推出了車規(guī)級產品MB85RS2MLY，可在-40°C至+125°C溫度范圍內達到10兆次讀/寫次數(shù)，非常適合需要實時數(shù)據(jù)記錄的應用（比如連續(xù)10年每天每0.1秒記錄一次數(shù)據(jù)，則寫入次數(shù)將超過30億），可謂具有極高的數(shù)據(jù)寫入耐久性和可靠性。
這些特性對于作為新能源汽車另一大核心技術的BMS（電池管理系統(tǒng)）來說同樣至關重要。BMS需要實時記錄數(shù)據(jù)和存儲數(shù)據(jù)，其系統(tǒng)將以每秒或每0.1秒的頻率實時和連續(xù)地記錄電池單元的重要數(shù)據(jù)（故障信息，健康狀況SOH和電量計量SOC等），同時監(jiān)控電池的短期（最后幾個充電周期60次/秒）和長期（整個電池壽命）電池性能。據(jù)馮逸新介紹：“舉個簡單的例子，電池單元電量一般維持在30%~75%之間表示正常運作，如有不均衡的情況則需從別的單元補充過來，這時系統(tǒng)需要檢測記錄電池單元的電量、溫度、電壓、電流等等數(shù)據(jù)，而且單次監(jiān)測記錄的時間不能間隔太長。“
因此，通過采用FRAM，汽車制造商能夠大幅降低系統(tǒng)復雜度并提高數(shù)據(jù)完整性。事實上，F(xiàn)RAM的身影目前已經(jīng)遍布諸如安全氣囊數(shù)據(jù)儲存(Airbag)、事故數(shù)據(jù)記錄器(EDR)、新能源車CAN盒子(CAN-BOX)、新能源車載終端(T-BOX)、胎壓監(jiān)測(TPMS)、汽車駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)及導航與信息娛樂系統(tǒng)(infotainment)等新能源汽車關鍵電子系統(tǒng)。
車規(guī)級FRAM，是滿足汽車電子可靠性和無遲延要求的最佳存儲器選擇
他山之石可以攻玉，F(xiàn)RAM這樣應對充電樁存儲痛點
今年3月，中國提出要求加快5G網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)中心等新型基礎設施建設進度，在隨后披露的新型基礎設施建設七大領域中，新能源充電樁名列其中。據(jù)《賽迪顧問》數(shù)據(jù)顯示，截止2019年12月中國充電樁保有量達到121.9萬臺，車樁比約為3.4：1，遠低于《電動汽車充電基礎設施發(fā)展指南（2015-2020）》規(guī)劃的1：1，保守估計未來10年，中國充電樁建設缺口將高達6300萬。相比加油站，充電樁能夠承載更多的信息，除電流外，還有信息流、資金流等等。作為車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集的重要端口，充電樁網(wǎng)絡的大面積建成必將成為未來社會交通系統(tǒng)的重要信息平臺。
因此，充電樁數(shù)據(jù)的記錄和存儲非常重要。作為給新能源汽車提供電能的配套產品，充電樁在運行過程中需要處理大量的參數(shù)，通過系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)和事件信息，實現(xiàn)設備集中遠程監(jiān)控，為設備故障診斷提供必要的數(shù)據(jù)支持，也為電站綜合管理提供全面的統(tǒng)計數(shù)據(jù)和各類統(tǒng)計報表。為此，所有數(shù)據(jù)必須進行統(tǒng)一的采集、查看和分析，并提供設備運行狀態(tài)實時監(jiān)測、危險警告與通知、數(shù)據(jù)查詢分析、設備運行總額和管理等功能。
“充電樁生產商需要挑選合適的存儲產品予以應對，其數(shù)據(jù)存儲的應用需求與智能表計非常相似。”馮逸新指出，“目前，F(xiàn)RAM存儲器在智能電表行業(yè)已經(jīng)作為標準存儲器被廣泛采用，其具備的三大優(yōu)勢是許多同類型存儲器無法比擬的。”馮逸新所說的FRAM三大優(yōu)勢分別是高速寫入、耐久性以及低功耗。與EEPROM對比，F(xiàn)RAM寫入次數(shù)壽命高達10萬億次，而EEPROM僅有百萬次(10^6)。富士通FRAM寫入數(shù)據(jù)可在150ns內完成，速度約為EEPROM的30,000倍。寫入一個字節(jié)數(shù)據(jù)的功耗僅為150nJ，約為EEPROM的1/400，在電池供電應用中具有巨大的優(yōu)勢。
FRAM、EEPROM、FLASH主要參數(shù)對比
FRAM不僅能夠進行高速寫入，同樣也能夠實現(xiàn)高速擦除。以保障數(shù)據(jù)安全為例，若遇到黑客違法盜取及分析充電樁的機密數(shù)據(jù)，將導致大范圍的信息泄露。對此，低功耗和高速的FRAM可以利用小型電池電源，瞬間消去重要數(shù)據(jù)，從而確保用戶的信息安全。這時，F(xiàn)RAM僅需0.1mA的工作電流，就能夠在0.3ms的時間內擦除256bit的數(shù)據(jù)，相比EEPROM擁有顯著的優(yōu)勢。
FRAM、EEPROM、FLASH工作電流與消去時間對比
滿足差異化市場需求，打造全覆蓋存儲產品陣列
盡管FRAM比傳統(tǒng)的Flash、EEPROM在讀寫耐久性、寫入的速度和功耗等方面都更具有優(yōu)勢，但其同樣有著成本較高、容量不高的不足。為此，富士通重點推出了可與FRAM產品形成市場互補的另外兩大存儲產品——可變電阻式隨機存取內存ReRAM和納米隨機存儲器NRAM，以滿足更多差異化需求。
ReRAM可以實現(xiàn)對大容量EEPROM的完全替代。2019年8月富士通成功研發(fā)MB85AS8MT——這是全球最高密度8Mbit ReRAM產品，其采用SPI介面并與EEPROM相容的非揮發(fā)性記憶體，能在1.6至3.6伏特之間的廣泛電壓范圍運作，在5MHz工作頻率下僅需0.15mA讀取資料。“目前全球只有兩家公司能夠量產ReRAM,富士通是其中之一。”馮逸新說到，“EEPROM容量最大只有2Mb，且在一些情況下功耗太高。我們量產的4Mb、8Mb產品可以滿足有這些需求的EEPROM客戶，同時能保證價格與EEPROM 2Mb接近。”
富士通ReRAM推出時間
按照規(guī)劃，富士通預計會在2021年前后帶來16Mbit甚至32Mbit ReRAM產品，屆時將進一步滿足企業(yè)和客戶對各種特殊應用的需求。
NRAM則兼具FRAM的高速寫入、高讀寫耐久性（比NOR Flash高1000倍），又具備與NOR Flash相當?shù)拇笕萘颗c造價成本并實現(xiàn)很低的功耗（待機模式時功耗幾乎為零），同時可靠性非常高，在80度時存儲數(shù)據(jù)時限高達1000年，在300度時亦可達到10年。談到NRAM在車載存儲的應用時，馮逸新指出：“目前的基于FRAM的車規(guī)級IC高溫承受范圍在125度，而NRAM卻可以達到150度，因此，未來基于NRAM的IC身影將有望出現(xiàn)在汽車發(fā)動機中。”作為NRAM的第一代產品，富士通16Mbit的DDR3 SPI接口產品最快將于2020年底上市。
可以看到，通過打造完善的FRAM、ReRAM、NRAM三線產品陣列，富士通能夠實現(xiàn)對于傳統(tǒng)存儲產品EEPROM和NOR FLASH的完全替代，屆時勢必引發(fā)存儲行業(yè)的新一輪洗牌。
總結
可以預見，未來汽車半導體市場需求將產生極大增量，特別是2020年注定將是國內新能源汽車相關電子產品市場與技術變革的關鍵一年。據(jù)馮逸新介紹，未來汽車自動駕駛的發(fā)展注定越來越廣，對數(shù)據(jù)處理和存儲的要求將會達到非常高的程度。在車聯(lián)網(wǎng)存儲領域，富士通會推出更多產品線，使三大技術加持的相關產品能夠應對日漸豐富的汽車等級和應用場景，為客戶提供更多選擇。
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