前些年隨著一部輕喜劇的播出，“查水表”一詞已被引申為調(diào)侃之語了。而伴隨著智能化大潮的到來，這個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(tǒng)三表已經(jīng)實現(xiàn)了智能計量和無線數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)實時存儲和無線采集。作為其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，數(shù)據(jù)存儲的低功耗和可靠性越來越受到關(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(qū)市場部總經(jīng)理王鈺針對三表數(shù)據(jù)存儲發(fā)表了專題演講。

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90%。“富士通全球FRAM存儲器銷量在2015年就已經(jīng)累計超過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，水/氣表的智能化剛剛開始，遠較電表落后，但趨勢已經(jīng)啟動，目前陸續(xù)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，“而階梯價格政策，也進一步推動著智能水氣表計的發(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主題演講會場

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(shù)據(jù)的器件就提出了更高的要求。特別是為建設(shè)節(jié)水型社會，國家相關(guān)部門已明確提出用水要全面實施階梯收費，水表改造的推進實現(xiàn)將快速推動數(shù)據(jù)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。

“隨著階梯水價政策的提出，我國的水/氣都在漲價，漲價的原因在于階梯收費會增加水表/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(shù)據(jù)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(tǒng)的三表存儲方案通?；贓EPROM或Flash實現(xiàn)，然而，這兩類器件在性能上有明顯的不足。“EEPROM和Flash存儲器能寫入大約100萬次，如果按0.5秒記錄一次數(shù)據(jù)計算， EEPROM僅5天就將“壽終正寢”，難以支持實時記錄的要求。”王鈺表示。據(jù)悉，使用EEPROM時，很多廠商為了避免達到EEPROM的寫入極限，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(shè)備，水/氣表的功耗也是需要考慮的問題，如何在存儲環(huán)節(jié)省下每一個uW的功耗?

FRAM是克服存儲三大痛點的正解

“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，“這種替代行動大約從2015年前就開始了。隨著FRAM技術(shù)的成熟，產(chǎn)品更加廣泛、價格逐漸走低，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，F(xiàn)RAM正在迅速導入到業(yè)界的新方案設(shè)計中。”

FRAM為何能續(xù)寫智能電表行業(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(shè)計的痛點：

Ø 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);

Ø FRAM具有高速寫入特點，無須超級電容;

Ø FRAM具有高讀寫耐久性，運行軟件簡單，無須耗損均衡(wear leveling)。

圖3：FRAM顯著的讀寫速度優(yōu)勢

水表/氣表都是采用電池供電的設(shè)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(jié)都需要盡量降低功耗。“FRAM本身功耗就很低，加之富士通FRAM的讀寫高速性能將大大縮短微處理器演算狀態(tài)，延長其待機狀態(tài)，因而能進一步延長電池壽命。”。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的耗電量僅10mAh，后者僅為前者的1/50!

據(jù)悉，F(xiàn)LASH的讀寫時序是先擦除、然后發(fā)送寫入指令、再寫入，這個過程耗時0.5秒之久!EEPROM相比Flash明顯快很多，但是需要一直等到寫入完成。而FRAM直接發(fā)布寫入指令即完成數(shù)據(jù)寫入的動作，只需極短的時間。“更關(guān)鍵的是，這么長的讀寫時間有可能導致EEPROM或Flash數(shù)據(jù)寫入期間發(fā)生電源中斷，數(shù)據(jù)有丟失的風險!”王鈺指出。

“其次，F(xiàn)RAM的可靠性還體現(xiàn)在遠比EEPOM或Flash具備更多的讀寫次數(shù)。FRAM的讀寫次數(shù)最大可達10萬億次，可實現(xiàn)高頻繁的數(shù)據(jù)紀錄，比如實時記錄，這是EEPROM或Flash很難支持的。”王鈺在演講中強調(diào)道。

據(jù)王鈺介紹，使用EEPROM時，很多廠商為了避免達到EEPROM的寫入極限，頻繁用到EEPROM/Flash的耗損均衡技術(shù)(wear leveling)。例如，MCU將數(shù)據(jù)流D1到Dn發(fā)送到EEPROM，將EEPROM分成四個存儲區(qū)域，第一個數(shù)據(jù)寫入到區(qū)域一的地址一中，第二個數(shù)據(jù)寫入地址二中，第二次將第一個數(shù)據(jù)寫入到存儲區(qū)域二的地址一，第三次、第四次……從而將寫入耐久性提高四倍。FRAM的讀寫次數(shù)多(高耐久性)，根本不需要使用耗損均衡技術(shù)，從而可實現(xiàn)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(shù)據(jù)存儲器——FRAM

存儲“獨門秘籍”是怎樣煉成的

FRAM作為一種獨特的存儲器件，近年來在三表應用、醫(yī)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(jù)悉，由于掌握著從研發(fā)、設(shè)計到量產(chǎn)及封裝的整個流程，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(wěn)定供應。未來富士通半導體還將不斷推出更多新品，逐步實現(xiàn)大容量化。據(jù)悉，富士通已經(jīng)開始著手研發(fā)8Mb的產(chǎn)品。

圖5：完全兼容EEPROM，設(shè)計無需更改

FRAM在性能上的優(yōu)勢是顯而易見的，但作為計量產(chǎn)品，無論是水/氣表還是電表方案，客戶首要關(guān)注的是質(zhì)量。 “富士通半導體使用成熟技術(shù)生產(chǎn)FRAM的時間已經(jīng)超過16年，累計銷售達到25.8億片，高可靠性、完備一體的供貨系統(tǒng)、宏大的經(jīng)營業(yè)務遠景是我們的FRAM在客戶的電表產(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(diào)的方面，客戶無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。

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