近十年來，在高速成長的非易失性存儲器市場的推動下，業(yè)界一直在試圖利用新材料和新概念發(fā)明一種更好的存儲器技術，以替代閃存技術，更有效地縮小存儲器，提高存儲性能。目前具有突破性的存儲技術有鐵電RAM（FRAM）、磁性RAM（MRAM）、相變RAM（PRAM）或其他相變技術。本文將分別介紹這些技術的特點、比較和研發(fā)進展；最后重點介紹新一代FRAM存儲產品的特點、優(yōu)勢和應用案例。

新一代存儲技術的進展

MRAM是一種非易失性磁性隨機存儲器。它擁有靜態(tài)隨機存儲器（SRAM）的高速讀取寫入能力及動態(tài)隨機存儲器（DRAM）的高集成度，基本上可以無限次重復寫入。其設計原理非常誘人，它通過控制鐵磁體中的電子旋轉方向來達到改變讀取電流大小的目的，從而使其具備二進制數據存儲能力。MRAM的主要缺點是固有的寫操作過高和技術節(jié)點縮小受限。為了克服這兩大制約因素，業(yè)界提出了自旋轉移矩RAM（SPRAM）解決方案，這項創(chuàng)新技術是利用自旋轉換矩引起的電流感應式開關效應。盡管這一創(chuàng)新方法在一定程度上解決了MRAM的一些常見問題，但還有很多挑戰(zhàn)等待研究人員克服，如自讀擾動、寫次數、單元集成等。目前，MRAM只局限于4Mb陣列180nm工藝的產品。另外，MRAM的生產成本也是個不小的問題。MRAM研發(fā)可分為三大陣營，除了東芝、海力士之外，三星電子也在進行研發(fā)。

PRAM是最好的閃存替代技術之一，能夠涵蓋不同非易失性存儲器應用領域，滿足高性能和高密度兩種應用要求。它利用溫度變化引起硫系合金（Ge2Sb2Te5）相態(tài)逆變的特性，利用電流引起的焦耳熱效應對單元進行寫操作，通過檢測非晶相態(tài)和多晶相態(tài)之間的電阻變化讀取存儲單元。雖然這項技術最早可追溯到上個世紀70年代，但是直到最近人們才重新嘗試將其用于非易失性存儲器，采用相變合金的光電存儲設備取得了商業(yè)成功，也促進了人們發(fā)現性能更優(yōu)異的相變材料結構的研究活動，相變存儲器證明其具有達到制造成熟度的能力。從應用角度看，PRAM可用于所有存儲器，特別適用于消費電子、計算機、通信三合一電子設備的存儲器系統(tǒng)。常用相變材料晶態(tài)電阻率和結晶溫度低、熱穩(wěn)定性差，需要通過摻雜來改善性能。目前，人們也在尋找性能更加優(yōu)良的相變材料，以最大限度地發(fā)揮PRAM的優(yōu)越性。

FRAM是早在上個世紀90年代出現的一個概念，是一種隨機存取存儲器技術，已成為存儲器家族中最有發(fā)展?jié)摿Φ男鲁蓡T之一。它使用一層有鐵電性的材料取代原有的介電質，使得它也擁有像E2PROM一樣的非易失性內存的優(yōu)勢，在沒有電源的情況下可以保存數據，用于數據存儲。FRAM具有高速、高密度、低功耗和抗輻射等優(yōu)點。作為非易失性存儲器，FRAM具有接近SRAM和DRAM這些傳統(tǒng)易失性存儲器的級別的高速寫入速度，讀寫周期只要傳統(tǒng)非易失性存儲器的數萬份之一，但讀寫耐久性卻是后者的1000萬倍，達到了10萬億次，可實現高頻繁的數據紀錄。目前，研發(fā)廠商正在解決由陣列尺寸限制帶來的FRAM成品率問題，進一步提高存儲密度和可靠性。今天，FRAM技術研發(fā)的主攻方向是130nm工藝的64Mb存儲器。

目前，富士通半導體集團控制著FRAM的整個生產程序；在日本有芯片開發(fā)和量產及組裝設施。富士通半導體公司可保證FRAM產品的高質量、高可靠性和穩(wěn)定供應，15年來一直在提供FRAM產品。

富士通半導體FRAM的主要特點和優(yōu)勢

FRAM是一種非易失性存儲器，結合了隨機存儲器（RAM）和只讀存儲器（ROM）的優(yōu)勢，廣泛應用于物聯網、醫(yī)療電子、消費電子、工業(yè)電子等幾乎所有行業(yè)。富士通半導體的FRAM產品以其“多、快、省”的特點在業(yè)界獨樹一幟，有助于解決應用瓶頸，促進產品創(chuàng)新?！岸唷笔侵窮RAM的高讀寫耐久性（10萬億次）的特點，可以頻繁記錄操作歷史和系統(tǒng)狀態(tài)；“快”是指FRAM的高速燒寫（EEPROM的30000倍）的特性，可以幫助系統(tǒng)設計者解決突然斷電丟失數據的問題；“省”是指FRAM超低功耗（EEPROM的1/1，000）的特性，特別是寫入時無需升壓。通過圖1的對比，可以發(fā)現富士通半導體FRAM相對于EEPROM的的性能優(yōu)勢。

圖1：富士通半導體FRAM和EEPROM的性能對比

將照相機實拍的一張照片分別存儲到EEPROM和FRAM中，直觀比較圖像數據寫入過程中EEPROM和FRAM的性能差異。在此演示中，使用并口傳輸數據，FRAM存儲數據用了約0.19秒，而EEPROM用了約6.23秒；FRAM存儲數據的比特率約為808kB/s，而EEPROM存儲數據的比特率約為24kB/s；功耗方面，FRAM約為0.4mW，而EEPROM約為61.7mW。FRAM的快速讀寫和超低功耗特性顯而易見。此外，相比其他傳統(tǒng)存儲器，FRAM也在性能上更勝一籌，如圖2性能比較所示。

圖2：FRAM與其他存儲器的比較

在通信速度方面，I2C接口速度為1MHz，SPI接口最快可達50MHz。在SPI接口基礎上，富士通半導體將推出QSPI接口，通信速率可達到和并口相當的數量級，這將給客戶帶來很多好處。QSPI只有16到20個引腳，而并口至少40個引腳，并且QSPI可以達到與并口同樣的速率，對客戶而言意味著能夠節(jié)省一些功耗和產品成本。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產品可以代替低功耗SRAM或PSRAM。在封裝方面，目前FRAM基本可以直接替代EEPROM，FRAM的封裝和EEPROM的封裝完全兼容。

FRAM的主要應用和成功案例

過去幾年，富士通FRAM在中國的電力儀表（三相表和集中器）、工業(yè)控制、辦公設備、汽車音響導航儀器、游戲機、RFID、醫(yī)療器械及醫(yī)療電子標簽等行業(yè)取得了可喜成績。其FRAM主要包括三大類（單體FRAM、RFID和內嵌FRAM的認證芯片），在很多產業(yè)領域實現了批量應用，并促成了大量的創(chuàng)新應用案例。

在流量計應用領域，電池壽命是電池供電的水表/氣表的關鍵所在，電池需要用到10-15年。富士通半導體的低功耗FRAM加上高速讀寫性能可大大縮短微處理器演算狀態(tài)，延長其待機狀態(tài)，進一步延長了電池壽命。中國的一些水表、氣表制造商/方案商開始采用FRAM研發(fā)新產品，而抄表模塊制造商、開發(fā)商對FRAM也產生了濃厚興趣，一些新項目研發(fā)已開始采用FRAM。與電力儀表一樣，富士通FRAM已成為水表/氣表及其集抄系統(tǒng)的最佳選擇。在水表/氣表系統(tǒng)中，從集中器到每家每戶的水表/氣表終端，都有FRAM的身影。在集中器中，FRAM用于存儲通信歷史數據；在氣表應用中，FRAM用于存儲煤氣流量歷史數據；在水表應用中，FRAM用于存儲水流量歷史數據。

圖3：FRAM應用圖

FRAM也為RFID注入了新的活力，尤其是在傳統(tǒng)EEPROM RFID不能滿足應用需求的領域，如工廠自動化和維護、醫(yī)療、航天等領域，FRAM RFID能夠突破一切性能限制，實現EEPROM RFID所不能實現的功能。

在醫(yī)療領域，富士通半導體內嵌FRAM的RFID產品相比內嵌EEPROM的RFID產品更具優(yōu)勢。前者讀寫速度更快，抗輻射性高出不止一個數量級。RAM RFID可用于手術臺、藥劑盒子、穿刺、血透管子追溯等應用，特別是需要經過伽瑪放射性消毒的醫(yī)療器械?；贔RAM的RFID可輕松通過標準醫(yī)療滅菌過程，而基于EEPROM的RFID信息在這一過程中會被破壞。

EEPROM RFID讀寫次數最多只有一百萬次，這在某些應用場合下使用可能會有問題，例如讀卡頻率比較高的高速收費，而FRAM RFID的讀寫次數為1012，可滿足這類應用讀寫次數的要求。

在工廠自動化和維護應用中，制造組裝生產線上的歷史數據、手冊、零件信息等都可以寫進FRAM RFID標簽，從而縮短讀取時間，使生產線更加高效。在某車廠的汽車生產線上就采用了富士通半導體FRAM RFID標簽，使其每年的生產量都有提升。

富士通半導體創(chuàng)新的FRAM認證芯片還促進了應用創(chuàng)新，可應用于電子器械與主機（如打印機等）相連的外設（如墨盒）的真假鑒別，通過主機與外設之間的質詢-響應進行驗證，從而鑒別授權部件或非授權部件。類似創(chuàng)新應用還有很多，如有線內窺鏡的轉換頭真?zhèn)悟炞C等。

此外，冷鏈控制也是FRAM RFID的用武之地，如果要追溯運輸途中每一個結點溫度的變化，就需要在整個車箱里加一個RFID模塊，實時把數據傳到接收端，客戶讀一下就可以看出一小時運輸范圍內有沒有超過溫度系數、溫度范圍，有SPI接口的RFID可以實現這樣的應用。

圖4：FRAM RFID產品線路圖

FRAM的未來發(fā)展方向

綜上所述：不同存儲器都有其各的優(yōu)勢和缺點，而存儲器市場需要更高密度、更高速度、更低功耗、具有非易失性且價格便宜的存儲器產品，所以由消費類產品驅動的存儲器市場在呼喚性能更優(yōu)存儲器技術。

如圖3所示，富士通半導體為FRAM存儲器制定了產品發(fā)展路線圖。目前，其FRAM產品線容量為4Kb到4Mb，涵蓋SPI和I2C串行接口、并行接口。未來富士通半導體還會不斷推出更多新品，逐步實現大容量化，現在已著手研發(fā)8Mb、16Mb的產品。

FRAM單體存儲器 –產品陣容

圖5：富士通半導體FRAM存儲器產品線的路線圖

由于掌握著從FRAM研發(fā)、設計到量產及封裝的整個流程，加上多年的經驗，富士通半導體能始終保證FRAM產品的高質量和穩(wěn)定供應。為了更好地在技術上支持廣大工程師的系統(tǒng)設計，富士通半導體還提供FRAM RFID開發(fā)板，幫助工程師更好地了解FRAM RFID的性能及應用，縮短產品上市時間。