隨風而起， FRAM筑造堅固數(shù)據(jù)存儲

作為電力網(wǎng)絡化數(shù)據(jù)采集的唯一設備，智能電表是用戶側泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的基礎，智能電表的技術創(chuàng)新可以說從根本上影響著泛在電力物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的發(fā)展。

距離中國首次提出泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的概念剛過去一年，通過升級電網(wǎng)基礎設施，以大數(shù)據(jù)、云計算、5G、邊緣計算等技術實現(xiàn)傳統(tǒng)電網(wǎng)向能源互聯(lián)網(wǎng)升級，將隨著承擔“拉動經(jīng)濟”重任的“新基建”而加速，泛在電力物聯(lián)網(wǎng)在電力系統(tǒng)基礎建設中的重要性不言而喻。

針對這波大規(guī)模的市場熱潮，富士通電子元器件(上海)有限公司產(chǎn)品管理部總監(jiān)馮逸新近日在一次研討會上也表示：“智能表計作為富士通長期關注的重點業(yè)務，在未來幾年具有很大的市場潛力，特別是智能電表行業(yè)發(fā)展?jié)摿σ廊豢春??！?/p>

隨風而起， FRAM筑造堅固數(shù)據(jù)存儲

電子設計的一個主要考慮因素是降低總功耗的同時提高可靠性。設計人員必須考慮增加功能，同時減少系統(tǒng)的功率預算，以實現(xiàn)更長久的電池壽命。但是與此同時，嵌入式軟件正變得日益復雜，需要配備更多的存儲器，但這一點對功耗也有了進一步要求。“對于智能表計而言，數(shù)據(jù)記錄及存儲是非常重要的。因此，智能表計方案商需考慮挑選合適的存儲產(chǎn)品予以應對?！瘪T逸新指出。中國政府從2018年開始對水表進行全面更新?lián)Q代，也帶動了智能水表的技術革新。特別是抄表方案從傳統(tǒng)的載波方案逐漸轉變?yōu)?a href="http://ttokpm.com/tags/nb-iot/" target="_blank">NB-IOT平臺，對于平臺里的采集器和集中器對數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳送的無遲延和可靠性也都有了更高的要求。

“富士通FRAM在智能表計行業(yè)已深耕十多年之久，全球表計出貨超1億片。針對新一代標準下的智能表計，富士通推出了眾多創(chuàng)新型存儲產(chǎn)品，如FRAM鐵電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，在中國、東南亞、歐洲、南美、北美等地區(qū)擁有很大的市場占有率?！?馮逸新表示。據(jù)悉，威勝集團、海興電力、林洋能源、Itron、西門子等業(yè)界主流的電表供應商都是富士通FRAM的客戶，無錫聚成、浙江威星、EMERSON、E+H、TEPLOKOM等全球范圍的智能水氣儀表主要供應商，也將FRAM作為其準確記錄和存儲關鍵數(shù)據(jù)的標準元件。

四大關鍵特性，助力表計產(chǎn)品性能升級

FRAM的三大優(yōu)勢我們都很熟悉，那就是高速寫入、耐久性、以及低功耗，而針對智能表計應用，它還擁有第四大優(yōu)勢——超高的安全性。在物聯(lián)網(wǎng)時代，企業(yè)與消費者對數(shù)據(jù)保密與安全的認知進一步提升。若遇到黑客違法盜取及分析電表的機密數(shù)據(jù)，將導致大范圍的信息泄露。對此，富士通FRAM賦予了智能表計應用的安全性優(yōu)勢，就是防止黑客盜竊或篡改數(shù)據(jù)。當黑客的篡改事件發(fā)生時，低功耗和高速的FRAM可以利用給RTC供電的小型電池電源，瞬間消去重要數(shù)據(jù)，從而確保電力用戶的信息安全。例如FRAM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。

安全性的第二個表現(xiàn)，則是基于高寫入速度。以256Kb獨立FRAM存儲器為例，每寫入1Byte數(shù)據(jù)，所需時間僅為150ns。因此，富士通FRAM在智能電表應用中帶來了關鍵的優(yōu)勢：掉電保護重要數(shù)據(jù)。電表使用的重要數(shù)據(jù)，需要在非常短的間隔(1-3次/秒)里保存在存儲器，并確保掉電情況下數(shù)據(jù)依然完整。對于表計計量和抄表系統(tǒng)而言，維護數(shù)據(jù)記錄的準確性就是防止國家資源流失，從而確保國家能高效完整回收資金。

耐久性則是智能表計（特別是集中器）最基本的需求。按照國家電網(wǎng)規(guī)定，重要數(shù)據(jù)必須以1次/秒的頻率實時記錄到存儲器，按照智能電表10年運行周期來計算，存儲器需達到寫入次數(shù)至少為：1*60*60*24*365*10=3.2億次。作為非易失性存儲器，F(xiàn)RAM具有接近SRAM和DRAM這些傳統(tǒng)易失性存儲器級別的高速寫入速度，讀寫周期是傳統(tǒng)非易失性存儲器的1/30000，但讀寫耐久性卻是后者的1,000萬倍，達到了10萬億次，可實現(xiàn)高頻繁的數(shù)據(jù)紀錄 (實時的記錄)。若按5ms一次讀寫頻率來計算，達到10萬億次花費的時間是1,585年，相當于可以從唐朝寫到現(xiàn)在！與之相對， EEPROM只有100萬次讀寫壽命，若按此讀寫頻率，1個半小時就會報廢，更別說只有10萬次讀寫壽命的Flash了。另外，F(xiàn)RAM的數(shù)據(jù)保持時間也極長，在85℃環(huán)境下，可以達到至少10年。

至于低功耗的優(yōu)勢，則在智能水氣表中得以體現(xiàn)。在水表/氣表系統(tǒng)中，從集中器到每家每戶的水表/氣表，都能夠看到FRAM的身影。相比于智能電表，市場規(guī)律上最明顯的差異就是水表、氣表必須選用電池供電（且通常一顆電池要用10-15年以上），而非電表那樣可直接接入電源，因此低功耗成為了水、氣表方案最關鍵的需求。也因此讓讀寫壽命長、功耗極低又利于延長電池使用壽命的FRAM實現(xiàn)了極大的差異化優(yōu)勢。以64Byte數(shù)據(jù)寫入為例，F(xiàn)RAM的功耗僅僅是EEPROM的1/440，可以輕松應對實時、頻繁存儲數(shù)據(jù)的工作模式，這不僅大大延長了電池壽命降低維護成本，更有助于電池與設備的小型化。

完善的存儲產(chǎn)品陣列，表計數(shù)據(jù)存儲再添B計劃 FRAM的優(yōu)勢雖然明顯，但如果單純使用FRAM，成本相比EEPROM以及Flash來說勢必是略有升高的。而智能電表，特別是單相電、水、氣、熱表對方案成本的要求通常非?？量?，因此如何讓產(chǎn)品在保持高性能的前提下進一步降低成本是富士通一直以來面臨的挑戰(zhàn)。

在實際應用中，富士通建議采用超低容量FRAM (4Kbit)與EEPROM并用，幫助實現(xiàn)低成本的電、水、氣、熱智能表計方案?！安捎肍RAM與EEPROM并用的方案設計可實現(xiàn)智能表計的高可靠性與安全性，并在整體方案架構上省去用于EEPROM掉電保護的大電容，從而有效地降低系統(tǒng)整體的BOM成本?！?馮逸新表示。為滿足用戶在低成本和高性能的完美平衡，富士通FRAM存儲器推出了用于計量模塊的I2C 接口的3v、5v電源電壓驅動的4kbit、16kbit、64kbit、128kbit和256kbit的FRAM產(chǎn)品，同時推出用于抄表采集器或集中器用的SPI接口的16kbit到4Mbit的多容量的FRAM存儲器。這些產(chǎn)品最大的優(yōu)勢是高速寫入，高寫入操作耐久性和高可靠性，適用于智能四表的掉電保護等高可靠性設計要求。

“另外，針對工業(yè)電表，富士通還可以提供ReRAM。低功耗和大容量的ReRAM是那些以讀操作為主，更換電池困難，抄表困難但需長時間保持數(shù)據(jù)的流量儀表的最佳解決方案?！瘪T逸新稱，“目前第一代產(chǎn)品4M bit早已量產(chǎn)之中，第二代產(chǎn)品8M bit已經(jīng)開始供給ES樣品，未來第三代產(chǎn)品將開發(fā)SPI 2M bit產(chǎn)品，可用于替代EEPROM，應用于需要高溫操作的工業(yè)電表等應用當中?！?/p>

同時，富士通業(yè)已著手開發(fā)與試產(chǎn)下一代高性能存儲產(chǎn)品——NRAM。其同時繼承了FRAM的高速寫入、高讀寫耐久性，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。在智能表計使用中，一個NRAM就可以替代電、水、氣、熱表中的Flash、FRAM和EEPROM等所有存儲單元，不僅減少了存儲器的使用數(shù)量，也有利于系統(tǒng)工程師簡化設計上的難度。

作為NRAM的第一代產(chǎn)品，16M bit的DDR3+SPI接口產(chǎn)品最快將于今年底上市，勢必引發(fā)存儲行業(yè)的新一輪變革。馮逸新自信地表示：“NRAM既繼承了FRAM的高性能，又具有替換NOR Flash大容量的特點，我們堅信這必將是一個劃時代的存儲器解決方案！”

總結

“富士通工業(yè)級FRAM已經(jīng)量產(chǎn)20年之久，積累了非常多量產(chǎn)工藝經(jīng)驗，從1999年至今，總共出貨達41億顆！” 馮逸新總結道。事實上，除了表計關鍵數(shù)據(jù)存儲，富士通FRAM產(chǎn)品還應用于RFID、醫(yī)療電子、汽車電子等廣泛的領域，某種程度上來說，小小的FRAM存儲器正在廣泛賦能各行各業(yè)的創(chuàng)新應用！以目前智能表計行業(yè)的情況來看，想做到真正的智能化，還需要經(jīng)歷從功能到性能的全面飛躍，從關鍵數(shù)據(jù)存儲的變革做起實現(xiàn)更多的創(chuàng)新將加速產(chǎn)品和行業(yè)的升級。