【導(dǎo)讀】在人工智能大型模型和邊緣智能領(lǐng)域的算力需求激增的推動下，市場對于高性能存儲解決方案的需求也在不斷增加。據(jù)此預(yù)測，2024年全球存儲器市場的銷售額有望增長61.3%，達到1500億美元。為了降低云和邊緣的功耗，兼具高性能和非易失性的新型存儲器正迎來市場快速增長的發(fā)展大時代，如鐵電存儲器FeRAM和ReRAM，以及磁性存儲器MRAM、阻變式存儲器ReRAM等。
在人工智能大型模型和邊緣智能領(lǐng)域的算力需求激增的推動下，市場對于高性能存儲解決方案的需求也在不斷增加。據(jù)此預(yù)測，2024年全球存儲器市場的銷售額有望增長61.3%，達到1500億美元。為了降低云和邊緣的功耗，兼具高性能和非易失性的新型存儲器正迎來市場快速增長的發(fā)展大時代，如鐵電存儲器FeRAM和ReRAM，以及磁性存儲器MRAM、阻變式存儲器ReRAM等。
2020-2024年全球存儲器市場規(guī)模及增速
富士通半導(dǎo)體（即將更名為RAMXEED）作為FeRAM產(chǎn)品全球兩個主要供應(yīng)商之一，只專注于高性能存儲器FeRAM和ReRAM的研發(fā)，以及以FeRAM、ReRAM為基礎(chǔ)的定制產(chǎn)品的開發(fā)。“我們的產(chǎn)品適用于從個體到企業(yè)，從私人到公共的多種應(yīng)用，可廣泛應(yīng)用于汽車電子、工業(yè)控制、表計、助聽器等重要基礎(chǔ)行業(yè)。”
近日，富士通半導(dǎo)體科技（上海）有限責(zé)任公司總經(jīng)理馮逸新在由E維智庫舉辦的第12屆中國硬科技產(chǎn)業(yè)鏈創(chuàng)新趨勢峰會暨百家媒體論壇上分享道，“富士通集團公司開展FeRAM的業(yè)務(wù)超過20年之久。我們的FeRAM產(chǎn)品深受全球用戶的好評，目前已累計出貨44億片之多。”
RAMXEED(原富士通半導(dǎo)體)總經(jīng)理 馮逸新
解碼 FeRAM和ReRAM，探索存儲技術(shù)極限性能可能
FeRAM和 ReRAM代表了非易失性存儲技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的兩項重要創(chuàng)新，旨在提供比傳統(tǒng)存儲解決方案（如 SRAM、DRAM 和 Flash）更高的性能和更小的尺寸。隨著便攜式系統(tǒng)市場在過去十多年間的迅速擴張，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)對于大容量非易失性存儲器（NVM）技術(shù)的興趣日益濃厚。市場對更高效率、更快的內(nèi)存訪問速度及更低功耗的需求，不斷推動著NVM技術(shù)的進步。據(jù)預(yù)測，全球非易失性存儲器市場規(guī)模在2024年達到約945.2億美元的基礎(chǔ)上，到2029年將擴大至1647.9億美元，其間將以11.76%的復(fù)合年增長率持續(xù)增長。
FeRAM依賴鐵電材料的獨特性質(zhì)進行數(shù)據(jù)存儲。該類存儲器以其超快的讀寫速度、出色的寫入耐久性以及較低的功耗特性而著稱。FeRAM的讀寫速度是納秒級，這遠超過NOR flash、EEPROM；讀寫次數(shù)達到1014、1013之多，在某種意義上相當(dāng)于無限次，而EEPROM、NOR Flash一般都有次數(shù)的限制。基于這兩個特點，在實時寫入、掉電保護等、需要讀寫次數(shù)比較高的快速非易失性存儲的應(yīng)用場景中（如智能卡、計量設(shè)備以及汽車中的事件數(shù)據(jù)記錄儀），F(xiàn)eRAM有著不可替代的絕對優(yōu)勢。同時，F(xiàn)eRAM也可以替換EEPROM、SARM以及MRAM。
相比之下，ReRAM則利用材料電阻狀態(tài)的變化來保存信息，通過電流調(diào)整特定材料（例如氧化鉿）的電阻特性。在功能上，ReRAM類似于EEPROM規(guī)格，但內(nèi)存容量更大、讀出功耗更低、尺寸更小，非常適合于助聽器等小型的電池驅(qū)動的可穿戴器件應(yīng)用。近年來，ReRAM在全球范圍內(nèi)受到了極大的關(guān)注，雖然ReRAM技術(shù)已經(jīng)出現(xiàn)在一些芯片制造商的路線圖中，并且已有公司已經(jīng)開始布局ReRAM相關(guān)的產(chǎn)品和服務(wù)，但是要實現(xiàn)大規(guī)模商用還需要克服一定的技術(shù)和市場挑戰(zhàn)。“業(yè)內(nèi)人士認為NOR Flash在下一代的時候工藝會進入瓶頸，未來可以替代NOR Flash的是ReRAM，但是ReRAM目前量產(chǎn)最大的容量是12Mb。若要替代NOR Flash，ReRAM的容量需要達到16Mbit到1Gb。”馮逸新表示。
富士通FeRAM/ReRAM的應(yīng)用定位
賦能多個熱門產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，智能存儲獲得廣泛落地
在數(shù)字化轉(zhuǎn)型的洶涌浪潮之下，存儲技術(shù)的創(chuàng)新無疑成為了推動各個行業(yè)闊步前行的核心力量。FeRAM和 ReRAM作為嶄露頭角的非易失性存儲新方案，以其別具一格的優(yōu)勢，在極為廣泛的應(yīng)用場景里彰顯出了龐大的潛力。不管是在關(guān)乎國計民生的智能電網(wǎng)、智能交通系統(tǒng)之中，還是在工業(yè)自動化、醫(yī)療健康、娛樂科技以及云計算基礎(chǔ)設(shè)施等領(lǐng)域之內(nèi)，亦或是在日常生活里隨處可見的智能標簽和可穿戴設(shè)備之上，F(xiàn)eRAM 與 ReRAM 都發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。
富士通FeRAM和ReRAM產(chǎn)品的應(yīng)用
一、從電力計量到光儲充，F(xiàn)eRAM為電力應(yīng)用存數(shù)據(jù)
“智能電網(wǎng)包括充電樁、光伏變流器，都是這幾年對新一代存儲需求比較多的行業(yè)。我們在大陸深耕二十多年，F(xiàn)eRAM銷量的重要來源之一就是智能電網(wǎng)。以電表為例，富士通是從智能電表發(fā)展的時候就介入市場的。”馮逸新說道。此外，電表之外的繼電保護器也對存儲有一定的需求，主要用于記錄其未能正常工作的情況及事件發(fā)生的順序，這一應(yīng)用要求存儲器能夠進行高速實時寫入，而FeRAM無疑是一個最佳選擇。
“自2020年以來，光伏、逆變器和儲能系統(tǒng)對FeRAM的需求顯著增長。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，直流電（DC）需轉(zhuǎn)換為交流電（AC），這一過程中逆變器扮演著重要角色，它需要每秒或每個毫秒記錄故障信息及電流電壓狀態(tài)。同樣，在將電力轉(zhuǎn)換為交流電后，儲能系統(tǒng)中的電池管理系統(tǒng)（BMS）也需記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，其工作原理與新能源汽車中的BMS相同。FeRAM憑借其高速讀寫能力和卓越的可靠性，在這些應(yīng)用中展現(xiàn)出了顯著的優(yōu)勢。”馮逸新補充道。
FeRAM在智能電網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用
二、獲磁式旋轉(zhuǎn)編碼器存儲青睞，無源（無電池）設(shè)計成趨勢
FeRAM的另一大應(yīng)用就是工廠自動化（FA），據(jù)馮逸新介紹，施奈德、西門子、中國臺灣的臺達、大陸知名的數(shù)控機床供應(yīng)商，以及中國排名前五的FA供應(yīng)商等都是富士通的客戶，這些廠商的工廠自動化部門采用的都是非常高端的存儲方案，除了FeRAM還有MRAM、NVSRAM等存儲器，近年來，尤其是在旋轉(zhuǎn)編碼器領(lǐng)域的應(yīng)用日益增多。“編碼器分為光學(xué)和磁式兩種類型，在工廠自動化控制和新能源汽車領(lǐng)域里，目前磁式旋轉(zhuǎn)編碼器發(fā)展是一個潮流。然而，由于磁式編碼器內(nèi)部使用了電池，而在歐洲等地電池受到了嚴格的管控。因此，為了實現(xiàn)無電池的編碼器設(shè)計，就需要可高速寫入、讀寫耐久性、超低功耗和內(nèi)置二進制計數(shù)器的FeRAM來扮演關(guān)鍵角色。”馮逸新說。
通常情況下，在伺服驅(qū)動電機斷電后，可能會因外界不可預(yù)測的因素發(fā)生碰撞，導(dǎo)致電機重新啟動時的位置與斷電前的位置產(chǎn)生偏移。這種情況下，如何在重啟時找回準確的位置成為一個嚴峻的問題。為了解決這一難題，通常會使用IC-Haus的主控芯片，配合波斯特的韋根線圈，并結(jié)合帶有二進制計數(shù)功能的FeRAM。“當(dāng)外部不可抗力導(dǎo)致電機轉(zhuǎn)動時，韋根線圈可以產(chǎn)生微弱的電能，而低功耗FeRAM能夠在微弱電流的情況下工作，利用內(nèi)置的二進制計數(shù)器記錄電機的旋轉(zhuǎn)次數(shù)。這樣一來，當(dāng)電機重新上電時，便能夠準確地找回之前的位置。”馮逸新指出。
在歐洲和德國，編碼器技術(shù)發(fā)展迅速，德國的iC-House、SEW、Fraba等，日本的尼康、三菱電機、多摩川精機等都是旋轉(zhuǎn)編碼器的著名供應(yīng)商，他們也都在都在積極的研發(fā)相關(guān)產(chǎn)品。“傳統(tǒng)的磁式編碼器通常配備有電池，但在歐洲，帶有電池的產(chǎn)品無法通過航空運輸，只能選擇海運，并且電池的管理極為嚴格。鑒于此，業(yè)界正在尋求去除電池的方法，因為電池在其使用壽命期間需要更換，這不僅增加了維護成本，對于位于偏遠地區(qū)的公司而言，更換電池還意味著高昂的人工費用。因此，未來旋轉(zhuǎn)編碼器需要實現(xiàn)無源（無電池），帶有二進制計數(shù)器FeRAM是目前無二的選擇。”馮逸新介紹說，最近幾年，中國臺灣的臺達以及中國大陸做編碼器的第一、二供應(yīng)商，都已經(jīng)把富士通的帶有二進制計數(shù)器的FeRAM產(chǎn)品做進了自己的產(chǎn)品內(nèi)，并計劃于明年開始量產(chǎn)。總的來說，這種無電池的設(shè)計符合未來的發(fā)展需求。
FeRAM在編碼器領(lǐng)域的應(yīng)用
三、從BMS、TBOX到行車記錄儀，全面賦能汽車關(guān)鍵數(shù)據(jù)存儲
汽車電子因其獨特的工作環(huán)境和嚴格的需求，需要專門設(shè)計的存儲解決方案來確保其可靠性和性能。傳統(tǒng)存儲解決方案往往因成本問題而面臨挑戰(zhàn)，尤其是在EEPROM和NOR Flash的使用上。相比之下，由于新能源汽車領(lǐng)域的較高附加值，以及對創(chuàng)新存儲技術(shù)的采納更為積極，因此，富士通進行了大量的市場開拓，致力于提供符合汽車電子需求的先進存儲解決方案。以BMS為例，每一顆電池芯片都需要記錄各種數(shù)據(jù)，并保持一致性，記錄的數(shù)據(jù)包括電池的SOC、狀態(tài)的SOH，以及電池壽命和充放電周期的信息。對于此類應(yīng)用，所需的存儲器必須支持高速及頻繁的寫入操作。兩年前，歐洲宣布將實施“電池護照”制度，規(guī)定從2027年起，所有進入歐洲市場的電池必須持有符合要求的“電池護照”。馮逸新認為，在新能源領(lǐng)域，尤其是中國市場，電池的回收與二次利用變得日益重要，未來若要與國際標準接軌，實現(xiàn)電池護照的通行，就必須依賴高性能的存儲技術(shù)作為支撐，F(xiàn)eRAM是唯一能推動電池護照系統(tǒng)的存儲解決方案。
FeRAM在汽車電子領(lǐng)域的應(yīng)用
“由于市場需求旺盛，汽車級產(chǎn)品在過去兩年經(jīng)歷了諸多升級。從前的新能源電池包、電池管理系統(tǒng)（BMS）、車載通信終端（TBOX）、行車記錄儀，乃至先進的胎壓監(jiān)測系統(tǒng)，通常都需要使用符合AEC-Q100標準的SPI接口。近年來，市場上還出現(xiàn)了對I2C接口的汽車級產(chǎn)品的需求，為此，我們專門進行了產(chǎn)品線的補充和完善。目前，我們不僅能提供高達1Mbit的大容量存儲，同時還實現(xiàn)了小型化封裝。”馮逸新補充到。
四、從醫(yī)療應(yīng)用到船舶、工程，ReRAM實現(xiàn)全方位布局
醫(yī)療領(lǐng)域值得一提是助聽器。助聽器里有一個lookup table用于根據(jù)個人聽力和語言能力存儲定制數(shù)據(jù)，佩戴助聽器后，設(shè)備會讀取這些數(shù)據(jù)，以幫助用戶恢復(fù)正常的聽力水平。“目前，全球能夠?qū)崿F(xiàn)ReRAM量產(chǎn)的廠商寥寥無幾。富士通在這一領(lǐng)域已積累了十多年的豐富經(jīng)驗，并已成為歐洲最大助聽器公司的供應(yīng)商。”馮逸新說，“現(xiàn)在，我們還在正積極開拓可穿戴設(shè)備市場，并致力于更深入的發(fā)展。”
ReRAM在助聽器領(lǐng)域的應(yīng)用
除此之外，富士通的FeRAM和ReRAM的應(yīng)用范圍還延伸到了多個領(lǐng)域，包括船舶、工程及農(nóng)業(yè)機械的智能化升級，游戲娛樂器械的體驗革新，以及云端計算的數(shù)據(jù)中心優(yōu)化。在樓宇自動化與通信基礎(chǔ)設(shè)施中，這些技術(shù)同樣扮演著重要角色，提升了系統(tǒng)的效率與可靠性。此外，標簽和智能卡的安全性增強，以及可穿戴設(shè)備的功能拓展，也都得益于FeRAM和ReRAM的貢獻。馮逸新對這些多樣化的應(yīng)用的分享，也展示了這兩種存儲技術(shù)在推動現(xiàn)代科技進步方面的廣泛影響力。
高速、大容量：下一代FeRAM的產(chǎn)品迭代路徑明確
FeRAM在市場上應(yīng)用規(guī)模相對較小，主要原因在于兩大瓶頸：一是其容量有限，當(dāng)前最大容量僅為8Mbit；二是較高的成本，限制了其更廣泛的應(yīng)用。“關(guān)于未來如何實現(xiàn)大容量的發(fā)展，通常的做法是在現(xiàn)有的8Mbit基礎(chǔ)上，通過堆疊技術(shù)疊加多個單元來擴展容量，例如疊加兩個單元可以達到16Mbit，疊加四個單元則可達到32Mbit。”馮逸新分享道，“在速度方面，MRAM和SRAM的速度通常為35納秒（ns），而富士通目前最快的FeRAM為120ns。展望未來，我們計劃在下一代技術(shù)中實現(xiàn)速度的提升，目標是將產(chǎn)品的響應(yīng)時間縮短至35ns。”
在演講的最后，馮逸新分享了富士通未來的計劃，主要包括兩個方面：首先，針對SRAM+battery組合，鑒于市場對電池管理提出了環(huán)保低碳的要求，存儲的發(fā)展方向?qū)⑹窍龑﹄姵氐囊蕾嚒Ｆ浯危瑢τ赟RAM+EEPROM（或NVSRAM）組合，該配置與FeRAM相似，用現(xiàn)有量產(chǎn)FeRAM產(chǎn)品也可以替換，但是新一代高速FeRAM可以滿足與SRAM一樣的高速寫入需求的應(yīng)用。馮逸新表示，未來的研究與開發(fā)工作將緊密貼合市場需求，致力于進一步提升FeRAM 的速度性能。同時，還將推進Quad（四線）SPI產(chǎn)品的研發(fā)，以滿足如游戲機和高端工廠自動化等對數(shù)據(jù)傳輸速率有著更高要求的應(yīng)用領(lǐng)域的特殊需求。通過這些技術(shù)創(chuàng)新，富士通旨在為客戶提供更快的響應(yīng)時間和更高的數(shù)據(jù)處理能力，從而推動相關(guān)行業(yè)的發(fā)展和技術(shù)進步。
富士通的高速并口接口FeRAM
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