车载存储需求的增长,开始引起越来越多存储器厂商的重视。尽管汽车应用领域对安全性的要求严苛,要进入得克服许多挑战,但仍然有众多厂商杀入车载存储领域。

目前,美光除了供应汽车ADAS、仪表盘、信息娱乐系统需要的DDR3/4和LPDDR3/4外,还增加了eMMC 5.0量产,提供8GB~128GB容量以应对大容量存储的需求,以及高端需求的SSD。在推广新一代3D NAND之际,东芝计划将3D NAND导入汽车领域。东芝认为车载存储的容量将进一步扩大。这是采用3D NAND的重要契机。富士通则计划将FRAM铁电随机存储器推向汽车领域。富士通认为车载电子控制系统对于存取各类传感器资料的需求持续增加,因此对于高效能非易失性内存技术的需求也越来越高。

富士通001 目前针对车载存储的主流厂商及产品线介绍

在第七届EEVIA年度中国ICT媒体论坛暨2018产业和技术展望研讨会上,富士通电子元器件产品管理部总监冯逸新对《国际电子商情》记者介绍了其FRAM铁电存储器,具有像E2PROM一样的非易失性的优势,在没有电源的情况下可以保存数据。

FRAM是车载存储最佳选择? 富士通002 据了解,自从1999年开始,富士通推FRAM产品已经连续推了18年,应该说已经有不少客户采用并认可了FRAM产品。到2017年10月,富士通FRAM做到了3500Mpcs的产量。

至于富士通为什么这么迫切的推FRAM也可以理解,富士通控制着FRAM的整个生产程序;在日本的芯片开发和量产及组装程序。

“可以说FRAM车规级是满足汽车电子可靠性和无延迟要求的最佳存储器选择。”冯逸新这么对《国际电子商情》记者表示。

为什么这么说?这就要从FRAM的产品特性开始说起。FRAM的学术名字叫做FERAM,利用铁电晶体的铁电效应实现数据存储,其的特点是速度快,能够像RAM一样操作,读写功耗极低,不存在如EEPROM的最大写入次数的问题;但受铁电晶体特性制约,FRAM仍有最大访问(读)次数的限制。

富士通003 FRAM在耐久性、读写速度、功耗等各方面吊打EEFROM和FLASH,无奈致命伤是太贵

FRAM性能比EEPROM好的地方在于三点:1.寿命,读写的次数比较多, EEPROM和flash都达不到EEFROM的读写次数;2.功耗,同样写入64byte的数据,FRAM的功耗仅仅是EEPROM的1/100,这样功耗越低,电池的使用寿命就越长;3.读写速度,FRAM的写入速度可以达到纳米秒,写入一个数据的时间仅仅是EEPROM的1/3000。这么快的读写速度带来的另一个意想不到的好处就是瞬间断电的时候,FRAM的数据已经写入,而EEPROM肯定数据丢失。

看到这里,大家是不是很激动了呢?跟FRAM比EEFROM简直就是战五渣啊!可是为什么用FRAM的客户还是少数呢?这就要谈到价格问题了。并不是技术好的产品就会流行,消费者更看重性价比。FRAM的Logic部分比重太大,成本难以降低是一个难点。此外,相比EEPROM,FRAM的存储容量实在是有一点捉急(4Kbit~16Mbit)。在工艺上,FRAM也很难突破100nm,因此大数据的存储还是更适合留给FLASH或者EEFROM,毕竟两者分工不同。

那么什么样的应用更适合FRAM而非EEFROM呢?冯逸新认为,如果对存储容量没有太高要求,而又需要频繁的记录重要数据,又不希望数据在断电中无法保护,这种应用比较适合FRAM。比如汽车中用到的黑匣子,主要记录刹车信息以及事故前几秒的情况。“在日本、在欧洲、在韩国如果你把发动机关了,或者意外事故掉地上了,当前的模式、当前的状态一定记下来,比如说进入隧道的时候,进入隧道那个通信没了,会先记录下来。中国我访问了很多的公司,还不需要,但未来还是一个市场。”冯逸新表示。

富士通004 冯逸新表示,富士通车规级的FRAM可满足工作温度125℃,符合AEC-Q100 Grade 1测试标准,更适合用来存储各种传感器带来的数据,如车载信息娱乐系统中的GPS等数据,记录安全气囊的数据,在行车过程中以1次/0.15秒或1次/1秒的速度记录CAN通信数据;在电池管理系统中以每秒或每0.1秒的频率记录电池单元的电压,温度和电流等数据,监控电池的短期和长期性能状态;在胎压监测系统中实时记录轮胎压力。据介绍,目前FRAM已经在一些欧洲Tier 1的车厂中采用。

富士通005 此外,FRAM也非常适合用到新能源汽车的电池管理系统BMS中。目前中国已经有一些客户如比亚迪已经开始采用富士通的SPI 256kbit 和I2C 256 kbit的FRAM。

富士通006 整车控制单元VCU也是一个很重要的关键元件,目前中国的新能源汽车和低速代步车的VCU中已经开始使用64kbit SPI FRAM。

富士通007 FRAM还有一个重要的应用是在RFID中。由于FRAM对各种宇宙射线的抗干扰性很强,而很多医疗行业的起居需要通过射线杀菌,EEPPOM受到射线照射很容易出现数据丢失的情况,而FRAM就不用担心这个问题。

富士通008 笔者认为,除了适合车载存储外,只要是对于高耐久性、高读写速度以及低功耗三大特性有需求的应用,如表计、医疗、呼吸机、汽车电子、游戏机等,都可以采用FRAM。未来随着FRAM成本的降低以及容量的提升,应该可以与EEPRM和FLASH形成更好的互补,而非互相取代的关系。

成本更低的NRAM何时能够量产?

富士通009 冯逸新表示,从短期来看FRAM的成本问题比较难解决,相对来说NRAM更有希望降低成本。这里又要科普一下什么叫NRAM?

NRAM由美国Nanteo公司发明,相较于当前的普通内存,NRAM芯片的具有非常强大的优势。除了读写速度是普通闪存的1,000倍(Nanteo官网上表示是1,000倍)之外,同时可提供功耗更低,更具可靠性与耐用性的内存,而且生产成本更低。NRAM也可以用来当做储存芯片使用,而且因为其特性为非挥发性,所以就算断电也不会清除储存在上面的信息。NRAM可以应用在任何系统,不但可以做数据存储,也可以做程序存储。与FRAM相比,NRAM的工作温度更是高达150℃,这意味着市场更大,可以直接用到汽车发动机周边电子产品。在待机模式下,NRAM的功耗几乎接近于0。

在规格密度上,NRAM类似或接近于FRAM,但是存储密度远高于FRAM,在核心尺寸上,NRAM的尺寸比FRAM更小。总体来说,在高温操作、数据保持、高速书写上,NRAM都具有较大优势。NRAM继承了NOR Flash的一些特点还有FRAM的特点,在成本上跟EEPROM接近,这使得NRAM有机会进入消费类市场。

BCC Research预计,全球NRAM市场将从2018年到2023年实现62.5%的复合年成长率(CAGR),其中嵌入式系统市场预计将在2018年达到470万美元,到了2023年将成长至2.176亿美元,CAGR高达115.3% 。 不过看似优点多多的NRAM也不是不存在问题,尽管Nantero公司早在2006年就宣布退出NRAM产品,但业界一直期待的NRAM迟迟不能量产。2016年,富士通半导体和三重富士通半导体共同宣布与Nantero公司达成协议,授权该公司的碳纳米管内存(NRAM)技术,三方公司未来将致力于NRAM内存的开发与生产。借由三方面的合作,将在2018年推出借由55纳米制程所生产的NRAM内存。BCC Research指出有几家独立内存公司、手机与可穿戴设备公司可能导入NRAM技术,但Fitzgerald说,这些公司至今并未透露任何细节。

第四种被动元器件ReRAM

除了以上两种存储,第三个要重点提到的是ReRAM。什么是ReRAM?业界常说的被动电路元件有三种:电阻器、电容器和电感器;任教于加州大学伯克利分校,并且是新竹交通大学电子工程系荣誉教授的蔡少堂(Leon Chua)在多年前预测有第四个元件的存在,即忆阻器(memristor),实际上就是一个有记忆功能的非线性电阻器。他在1971年发表了《忆阻器:下落不明的电路元件》论文,提供了忆阻器的原始理论架构,推测电路有天然的记忆能力,即使电力中断亦然。

忆阻器跟人脑运作方式颇为类似,可使手机将来使用数周或更久而不需充电;使个人电脑开机后立即启动;笔记型电脑在电池耗尽之后很久仍记忆上次使用的信息。基于以上理论基础,业界研发了一种新型的非挥发ReRAM(电阻式记忆体)。将DRAM的读写速度与SSD的非易失性结合于一身。换句话说,关闭电源后存储器仍能记住数据。

富士通010 ReRAM为非易失性内存,藉由电压脉冲于金属氧化物薄膜,产生的大幅度电阻变化以记录1和0。其制程化繁为简,由两电极间简易金属氧化物架构组成,使其同时拥有低功耗和高写入速度的优点。

松下半导体于2013年即开始量产配备ReRAM的微型计算机。2016年,富士通电子元器件(上海)有限公司推出业界最高密度4 Mbit ReRAM(可变电阻式存储器)产品MB85AS4MT。此产品为富士通半导体与松下电器半导体合作开发的首款ReRAM存储器产品。据了解,中芯国际已正式出样采用40nm工艺的ReRAM芯片,并称更先进的28nm工艺版很快也会到来。

包含钛镍氧化物结构的ReRAM,在刷写时只需要100mA的电流甚至更少,相比传统ReRAM,研究人员还降低了90%的波动电阻值,这一技术指标在反复高速写入和擦除时会影响产品质量和寿命。ReRAM的功耗更低,比现有手机采用的NAND型存储速度快约1万倍。实用化后,将提高手机下载高画质动画速度,并且消耗更低的电量,从而可以延长手机的使用时间。

据介绍,ReRAM密度比DRAM内存高40倍,读取速度快100倍,写入速度快1000倍。ReRAM单芯片(200mm左右)即可实现TB级存储,还具备结构简单、易于制造等优点。ReRAM存储芯片的能耗可达到闪存的1/20,数据擦写上限是后者的10倍。作为存储器前沿技术,ReRAM未来预期可以替代目前的FlashRAM,并且具有成本更低、性能更突出的优势。相比EEPROM,ReRAM的存储容量比较大一些,核心尺寸比较小一点。

富士通011 几种不同存储技术的参数对比

作为下一代存储的代表,富士通力推的FRAM、NRAM、ReRAM三种存储技术各有特色和不同的应用市场。从存储容量来看,传统的NAND Flash和NOR Flash最具优势,因此在对容量需求量较高的消费类市场更为常见,但是涉及到写入耐久度等需求的时候,下一代存储产品开始展露优势。

简单来说,如果需要无延迟、耐久性的设计,FRAM更适合,主要用来取代EEPROM。如果不需要更多的写入次数,同时对于容量要求高一点,则可以选择ReRAM。NRAM则介于ReRAM和FRAM之间,可以部分取代NOR Flash。