智能化與物聯(lián)網(wǎng)的大潮中，FRAM助力三表設計新突破

　　前些年隨著(zhù)一部輕喜劇的播出，“查水表”一詞已被引申為調侃之語(yǔ)了。而伴隨著(zhù)智能化大潮的到來(lái)，這個(gè)曾與我們老百姓生活息息相關(guān)的詞在日常生活中也正與我們漸行漸遠，因為傳統三表已經(jīng)實(shí)現了智能計量和無(wú)線(xiàn)數據采集、數據實(shí)時(shí)存儲和無(wú)線(xiàn)采集。作為其中的關(guān)鍵環(huán)節，數據存儲的低功耗和可靠性越來(lái)越受到關(guān)注。在不久前閉幕的智能水/氣計量產(chǎn)業(yè)鏈高峰論壇(WATER & GAS METERING China2016)上，富士通電子元器件(上海)有限公司亞太區市場(chǎng)部總經(jīng)理王鈺針對三表數據存儲發(fā)表了專(zhuān)題演講。

　　作為三表中智能化走得較早的電表，其智能化普及程度遠遠領(lǐng)先于氣表和水表，業(yè)界曾預測智能電表的普及率在2016年將超過(guò)90%。“富士通全球FRAM存儲器銷(xiāo)量在2015年就已經(jīng)累計超過(guò)25億片，而這其中很大部分是應用于電表中的，而中國是全球電表制造的中心。”王鈺指出。然而，水表/氣表的電氣化能力和電表相比還有相當大的差距。“FRAM在水/氣表中的應用也能看出這點(diǎn)，水/氣表的智能化剛剛開(kāi)始，遠較電表落后，但趨勢已經(jīng)啟動(dòng)，目前陸續已經(jīng)有十多家水/氣表公司采用我們的方案批量上市。”王鈺介紹道，“而階梯價(jià)格政策，也進(jìn)一步推動(dòng)著(zhù)智能水氣表計的發(fā)展，對于水/氣表的性能有了更高的要求。以FRAM為代表的高性能方案正在迎來(lái)好的機遇。”

　　圖1：計量行業(yè)人氣齊聚、濟濟一堂的富士通FRAM主題演講會(huì )場(chǎng)

　　水氣計量智能化的存儲新需求

　　階梯收費要求水表/氣表存儲更多的信息，而且還要低功耗，這對于水表/氣表存儲關(guān)鍵數據的器件就提出了更高的要求。特別是為建設節水型社會(huì )，國家相關(guān)部門(mén)已明確提出用水要全面實(shí)施階梯收費，水表改造的推進(jìn)實(shí)現將快速推動(dòng)數據存儲等電子元件在水表/氣表中的應用，特別是對存儲器功耗、耐久性和可靠性提出新的需求。

　　“隨著(zhù)階梯水價(jià)政策的提出，我國的水/氣都在漲價(jià)，漲價(jià)的原因在于階梯收費會(huì )增加水表/氣表的成本，因為階梯收費要求水表/氣表能存儲更加多的信息，而且還要低功耗，這對于水表/氣表存儲關(guān)鍵數據的器件就提出更高的要求。”王鈺指出。

　　圖2：幾種存儲解決方案的性能對比

　　傳統的三表存儲方案通?；贓EPROM或Flash實(shí)現，然而，這兩類(lèi)器件在性能上有明顯的不足。“EEPROM和Flash存儲器能寫(xiě)入大約100萬(wàn)次，如果按0.5秒記錄一次數據計算， EEPROM僅5天就將“壽終正寢”，難以支持實(shí)時(shí)記錄的要求。”王鈺表示。據悉，使用EEPROM時(shí)，很多廠(chǎng)商為了避免達到EEPROM的寫(xiě)入極限，頻繁使用EEPROM/Flash的耗損均衡技術(shù)(wear leveling)。此外，作為電池供電的設備，水/氣表的功耗也是需要考慮的問(wèn)題，如何在存儲環(huán)節省下每一個(gè)uW的功耗?

　　FRAM是克服存儲三大痛點(diǎn)的正解

　　“FRAM存儲作為EEPROM的‘天然’替代解決方案，已經(jīng)在智能電表中獲得普及性應用。”王鈺指出，“這種替代行動(dòng)大約從2015年前就開(kāi)始了。隨著(zhù)FRAM技術(shù)的成熟，產(chǎn)品更加廣泛、價(jià)格逐漸走低，已經(jīng)成為當前智能電表的主流選擇。全球電力儀表知名企業(yè)Top 10中已有6家的電表在采用富士通 FRAM!而在水/氣表行業(yè)，目前正像四、五年前的智能電表行業(yè)一樣，FRAM正在迅速導入到業(yè)界的新方案設計中。”

　　FRAM為何能續寫(xiě)智能電表行業(yè)“攻城略地”的成功?王鈺認為主要緣于FRAM完美地從以下三方面解決了水/氣表設計的痛點(diǎn)：

　　? FRAM為超低功耗非易失性存儲器，功耗預算極低(富士通FRAM 功耗僅為EEPROM的1/50);

　　? FRAM具有高速寫(xiě)入特點(diǎn)，無(wú)須超級電容;

　　? FRAM具有高讀寫(xiě)耐久性，運行軟件簡(jiǎn)單，無(wú)須耗損均衡(wear leveling)。

　　圖3：FRAM顯著(zhù)的讀寫(xiě)速度優(yōu)勢

　　水表/氣表都是采用電池供電的設備，里面的電池需要使用10-15年，因此功耗預算非常敏感，電路的所有環(huán)節都需要盡量降低功耗。“FRAM本身功耗就很低，加之富士通FRAM的讀寫(xiě)高速性能將大大縮短微處理器演算狀態(tài)，延長(cháng)其待機狀態(tài)，因而能進(jìn)一步延長(cháng)電池壽命。”。王鈺在演講中介紹道，在相同的比較條件下(比較元件容量為16Kbit，功耗包括待機電流)，采用EEPROM 耗電量高達500mAh，而采用FRAM的耗電量?jì)H10mAh，后者僅為前者的1/50!

　　據悉，FLASH的讀寫(xiě)時(shí)序是先擦除、然后發(fā)送寫(xiě)入指令、再寫(xiě)入，這個(gè)過(guò)程耗時(shí)0.5秒之久!EEPROM相比Flash明顯快很多，但是需要一直等到寫(xiě)入完成。而FRAM直接發(fā)布寫(xiě)入指令即完成數據寫(xiě)入的動(dòng)作，只需極短的時(shí)間。“更關(guān)鍵的是，這么長(cháng)的讀寫(xiě)時(shí)間有可能導致EEPROM或Flash數據寫(xiě)入期間發(fā)生電源中斷，數據有丟失的風(fēng)險!”王鈺指出。

　　“其次，FRAM的可靠性還體現在遠比EEPOM或Flash具備更多的讀寫(xiě)次數。FRAM的讀寫(xiě)次數最大可達10萬(wàn)億次，可實(shí)現高頻繁的數據紀錄，比如實(shí)時(shí)記錄，這是EEPROM或Flash很難支持的。”王鈺在演講中強調道。

　　據王鈺介紹，使用EEPROM時(shí)，很多廠(chǎng)商為了避免達到EEPROM的寫(xiě)入極限，頻繁用到EEPROM/Flash的耗損均衡技術(shù)(wear leveling)。例如，MCU將數據流D1到Dn發(fā)送到EEPROM，將EEPROM分成四個(gè)存儲區域，第一個(gè)數據寫(xiě)入到區域一的地址一中，第二個(gè)數據寫(xiě)入地址二中，第二次將第一個(gè)數據寫(xiě)入到存儲區域二的地址一，第三次、第四次……從而將寫(xiě)入耐久性提高四倍。FRAM的讀寫(xiě)次數多(高耐久性)，根本不需要使用耗損均衡技術(shù)，從而可實(shí)現存儲器的小容量化，降低軟件的復雜度和漏洞混入的可能性。

　　圖4：水表、電表和氣表，它們都擁有共同的性能卓越的數據存儲器——FRAM

　　存儲“獨門(mén)秘籍”是怎樣煉成的

　　FRAM作為一種獨特的存儲器件，近年來(lái)在三表應用、醫療、工業(yè)控制、物聯(lián)網(wǎng)、傳感器網(wǎng)絡(luò )等領(lǐng)域的應用風(fēng)生水起，而在這些應用中，幾乎總能看到富士通的身影。“我們的FRAM產(chǎn)品線(xiàn)相當寬泛，容量從4Kb到4Mb，涵蓋SPI和IIC串行接口、并行接口。”王鈺表示。據悉，由于掌握著(zhù)從研發(fā)、設計到量產(chǎn)及封裝的整個(gè)流程，加上多年豐富的經(jīng)驗，富士通半導體能始終保證FRAM產(chǎn)品的高品質(zhì)和穩定供應。未來(lái)富士通半導體還將不斷推出更多新品，逐步實(shí)現大容量化。據悉，富士通已經(jīng)開(kāi)始著(zhù)手研發(fā)8Mb的產(chǎn)品。

　　圖5：完全兼容EEPROM，設計無(wú)需更改

　　FRAM在性能上的優(yōu)勢是顯而易見(jiàn)的，但作為計量產(chǎn)品，無(wú)論是水/氣表還是電表方案，客戶(hù)首要關(guān)注的是質(zhì)量。 “富士通半導體使用成熟技術(shù)生產(chǎn)FRAM的時(shí)間已經(jīng)超過(guò)16年，累計銷(xiāo)售達到25.8億片，高可靠性、完備一體的供貨系統、宏大的經(jīng)營(yíng)業(yè)務(wù)遠景是我們的FRAM在客戶(hù)的電表產(chǎn)品中獲得廣泛應用的關(guān)鍵因素之一。” 王鈺指出。

　　此外，產(chǎn)品兼容性也是王鈺比較強調的方面，客戶(hù)無(wú)需對其當前的方案做出任何修改：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(chǎn)品可以代替低功耗SRAM或PSRAM (Pseudo SRAM)。在封裝方面，目前FRAM基本可以直接替換EEPROM， FRAM的封裝和EEPROM的封裝是完全兼容的。

　　“中國市場(chǎng)已經(jīng)成為富士通FRAM在全球最大的潛力市場(chǎng)。我們在產(chǎn)品的價(jià)格、交貨、工廠(chǎng)產(chǎn)能分配及技術(shù)支持等方面都給予了中國客戶(hù)很大支持。”王鈺表示。在本次論壇中，富士通再次與來(lái)自政府、水/氣表設計生產(chǎn)廠(chǎng)家以及自來(lái)水和燃氣公司多層面互動(dòng)交流，FRAM的卓越特性受到業(yè)界的深度關(guān)注，繼智能電表之后，FRAM在水表和氣表行業(yè)正在迎來(lái)又一個(gè)春天。