在人工智能大型模型和邊緣智能領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。據此預測，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模及增速
專注于高性能存儲器FeRAM和ReRAM的富士通半導體科技有限責任公司總經理馮逸新在由E維智庫舉辦的第12屆中國硬科技產業鏈創新趨勢峰會暨百家媒體論壇上，圍繞FeRAM和ReRAM最新技術進展以及在汽車等產業的應用現狀進行了講解。
解碼 FeRAM和ReRAM，探索存儲技術極限性能可能
FeRAM和 ReRAM代表了非易失性存儲技術領域內的兩項重要創新，旨在提供比傳統存儲解決方案更高的性能和更小的尺寸。隨著便攜式系統市場在過去十多年間的迅速擴張，半導體產業對于大容量非易失性存儲器(NVM)技術的興趣日益濃厚。市場對更高效率、更快的內存訪問速度及更低功耗的需求，不斷推動著NVM技術的進步。據預測，全球非易失性存儲器市場規模在2024年達到約945.2億美元的基礎上，到2029年將擴大至1647.9億美元，其間將以11.76%的復合年增長率持續增長。
FeRAM依賴鐵電材料的獨特性質進行數據存儲。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；讀寫次數達到1014、1013之多，在某種意義上相當于無限次，而EEPROM、NOR Flash一般都有次數的限制。基于這兩個特點，在實時寫入、掉電保護等、需要讀寫次數比較高的快速非易失性存儲的應用場景中，FeRAM有著不可替代的絕對優勢。同時，FeRAM也可以替換EEPROM、SARM以及MRAM。
相比之下，ReRAM則利用材料電阻狀態的變化來保存信息，通過電流調整特定材料的電阻特性。在功能上，ReRAM類似于EEPROM規格，但內存容量更大、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動的可穿戴器件應用。近年來，ReRAM在全球范圍內受到了極大的關注，雖然ReRAM技術已經出現在一些芯片制造商的路線圖中，并且已有公司已經開始布局ReRAM相關的產品和服務，但是要實現大規模商用還需要克服一定的技術和市場挑戰。“業內人士認為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。
賦能汽車等產業應用，智能存儲獲得廣泛落地
在數字化轉型的洶涌浪潮之下，存儲技術的創新無疑成為了推動各個行業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，以其別具一格的優勢，在極為廣泛的應用場景里彰顯出了龐大的潛力。不管是在關乎國計民生的智能電網、智能交通系統之中，還是在工業自動化、醫療健康、娛樂科技以及云計算基礎設施等領域之內，亦或是在日常生活里隨處可見的智能標簽和可穿戴設備之上，FeRAM 與 ReRAM 都發揮著至關重要的作用。
一、從電力計量到光儲充，FeRAM為電力應用存數據
“自2020年以來，光伏、逆變器和儲能系統對FeRAM的需求顯著增長。在光伏發電系統中，直流電需轉換為交流電(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。同樣，在將電力轉換為交流電后，儲能系統中的電池管理系統(BMS)也需記錄相關數據，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，在這些應用中展現出了顯著的優勢。”馮逸新補充道。
FeRAM在智能電網領域的應用
二、獲磁式旋轉編碼器存儲青睞，無源設計成趨勢
FeRAM的另一大應用就是工廠自動化，據馮逸新介紹，施奈德、西門子、中國臺灣的臺達、大陸知名的數控機床供應商，以及中國排名前五的FA供應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，尤其是在旋轉編碼器領域的應用日益增多。“編碼器分為光學和磁式兩種類型，在工廠自動化控制和新能源汽車領域里，目前磁式旋轉編碼器發展是一個潮流。然而，由于磁式編碼器內部使用了電池，而在歐洲等地電池受到了嚴格的管控。因此，為了實現無電池的編碼器設計，就需要可高速寫入、讀寫耐久性、超低功耗和內置二進制計數器的FeRAM來扮演關鍵角色。”馮逸新說。
通常情況下，在伺服驅動電機斷電后，可能會因外界不可預測的因素發生碰撞，導致電機重新啟動時的位置與斷電前的位置產生偏移。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，并結合帶有二進制計數功能的FeRAM。“當外部不可抗力導致電機轉動時，韋根線圈可以產生微弱的電能，而低功耗FeRAM能夠在微弱電流的情況下工作，利用內置的二進制計數器記錄電機的旋轉次數。這樣一來，當電機重新上電時，便能夠準確地找回之前的位置。”馮逸新指出。
在歐洲和德國，編碼器技術發展迅速，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編碼器的著名供應商，他們也都在都在積極的研發相關產品。“傳統的磁式編碼器通常配備有電池，但在歐洲，帶有電池的產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，未來旋轉編碼器需要實現無源，帶有二進制計數器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、二供應商，都已經把富士通的帶有二進制計數器的FeRAM產品做進了自己的產品內，并計劃于明年開始量產。總的來說，這種無電池的設計符合未來的發展需求。
FeRAM在編碼器領域的應用
三、從BMS、TBOX到行車記錄儀，全面賦能汽車關鍵數據存儲
汽車電子因其獨特的工作環境和嚴格的需求，需要專門設計的存儲解決方案來確保其可靠性和性能。傳統存儲解決方案往往因成本問題而面臨挑戰，尤其是在EEPROM和NOR Flash的使用上。相比之下，由于新能源汽車領域的較高附加值，以及對創新存儲技術的采納更為積極，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據，并保持一致性，記錄的數據包括電池的SOC、狀態的SOH，以及電池壽命和充放電周期的信息。對于此類應用，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，實現電池護照的通行，就必須依賴高性能的存儲技術作為支撐，FeRAM是唯一能推動電池護照系統的存儲解決方案。
FeRAM在汽車電子領域的應用
“由于市場需求旺盛，汽車級產品在過去兩年經歷了諸多升級。從前的新能源電池包、電池管理系統、車載通信終端(TBOX)、行車記錄儀，乃至先進的胎壓監測系統，通常都需要使用符合AEC-Q100標準的SPI接口。近年來，市場上還出現了對I2C接口的汽車級產品的需求，為此，我們專門進行了產品線的補充和完善。目前，我們不僅能提供高達1Mbit的大容量存儲，同時還實現了小型化封裝。”馮逸新補充到。
高速、大容量:下一代FeRAM的產品迭代路徑明確
FeRAM在市場上應用規模相對較小，主要原因在于兩大瓶頸:一是其容量有限，當前最大容量僅為8Mbit；二是較高的成本，限制了其更廣泛的應用。“關于未來如何實現大容量的發展，通常的做法是在現有的8Mbit基礎上，通過堆疊技術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，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中實現速度的提升，目標是將產品的響應時間縮短至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保低碳的要求，存儲的發展方向將是消除對電池的依賴。其次，對于SRAM+EEPROM組合，該配置與FeRAM相似，用現有量產FeRAM產品也可以替換，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用。馮逸新表示，未來的研究與開發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產品的研發，以滿足如游戲機和高端工廠自動化等對數據傳輸速率有著更高要求的應用領域的特殊需求。通過這些技術創新，富士通旨在為客戶提供更快的響應時間和更高的數據處理能力，從而推動相關行業的發展和技術進步。
富士通的高速并口接口FeRAM
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