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瞄准智能制造、新能源汽车等新兴关键数据存储需求,FeRAM以独特性能发力智能物联时代增量市场

发布日期:2023-01-09 12:58:43 【关闭】
摘要:“近年来,新能源汽车销量的快速增长带动了相关汽车电子产业链的发展,由于采用电力驱动,新能源汽车的结构有别于传统的燃油汽车,动力电池、电池管理系统(BMS)、整车控制单元(VCU)三大系统成为汽车的核心功能部件。这些关键部件无时无刻不产生特征数据,高性能存储器成为这些核心部件不可或缺的关键元件。‘’

近年来,新能源汽车销量的快速增长带动了相关汽车电子产业链的发展,由于采用电力驱动,新能源汽车的结构有别于传统的燃油汽车,动力电池、电池管理系统(BMS)、整车控制单元(VCU)三大系统成为汽车的核心功能部件。这些关键部件无时无刻不产生特征数据,高性能存储器成为这些核心部件不可或缺的关键元件。

存储器是现代信息系统最关键的组件之一,在当前物联网与人工智能联合推动下的数据爆发时代,存储器行业的“加速键”随之开启。据YOLE统计,自2019年以来,存储器成为半导体增速最快的细分行业,总体市场空间从2019年的1110亿美元将增长至2025年的1850亿美元。细分市场中,以FeRAM(铁电存储)和ReRAM(电阻式存储)为代表的新型存储器市场增速最快,将从5亿美元增长到40亿美元,年复合增长率达到42%,发展潜力巨大。

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图1:全球存储器市场规模及增速(资料来源:YOLE)

业界将相变存储器、铁电存储器、磁性存储器和阻变存储器在内的非易失性作为打破传统架构限制的新型存储器(non-volatile RAM),普遍认为在新增市场和新应用中面临机遇。而其中FeRAM是一种理想的存储器,在计算机、航天航空、军工等领域具有广阔的应用前景,世界上许多大的半导体公司对此都十分重视。 “与EEPROM和闪存等现有类型的非易失性存储器相比,FeRAM具有高写入速度、高读/写耐久性和低功耗的特点,广泛应用于IC卡、RFID标签、功率计和工业机械等,同时由于其尺寸小的特性也非常适合可穿戴设备和传感器网络。”加贺富仪艾电子(上海)有限公司产品经理梅宏飞表示。加贺富仪艾电子旗下代理品牌富士通半导体存储器解决方案有限公司于 1995 年已开始研发 FeRAM 存储器,至 1999 年成功量产推向市场,迄今已有 20多年的量产经验,出货量累计超过40亿颗。

智能制造数据先行,高频存储很关键

数据是制造业提高核心能力、整合产业链的关键,也是实现从要素驱动向创新驱动转型的有力手段。数据所带来的核心价值在于可以真实地反映和描述生产制造过程,这也就为制造过程的分析和优化提供了全新的手段与方法。因此,数据驱动也可以说是实现智能制造的关键步骤。作为制造业的心脏,传统的电机控制平台已经不能满足现代制造商对电机的控制和保护的要求,工厂中多台电机运转产生的电流、电压以及振动的波形数据具有海量、高频、分散的特点,因此以对海量数据进行存储和分析为核心的大数据在电机管理系统中发挥着越来越大的作用。

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图2:FeRAM应用之旋转编码器

“与传统的非易失性存储器如EEPROM相比,富士通半导体FeRAM的优势主要体现在高速读写、高耐久性和低功耗等方面。高速读写可确保实时存储,可帮助系统设计者解决实时存储数据和帮助系统设计者解决了突然断电数据丢失的问题;高耐久性的特点,可以实现频繁记录操作历史和系统状态;低功耗主要指写入时不需要高电压,功耗消耗相比传统存储器减少90%以上。” 梅宏飞表示。富士通半导体具有快速数据传输功能的8Mbit FeRAM,在高达105℃的高温环境中,能够以最大108MHz的工作频率实现每秒54MB的快速数据传输速率。该类产品具有高速运行和非易失性特性,是高性能计算(HPC)、数据中心和工业计算(如可编程逻辑控制器(PLC)、人机界面(HMI)和 RAID 控制器)的理想选择。

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图3:FeRAM应用之PLC

BMS运行参数实时监测,可靠、高耐久性是“刚需”

近年来,新能源汽车销量的快速增长带动了相关汽车电子产业链的发展,由于采用电力驱动,新能源汽车的结构有别于传统的燃油汽车,动力电池、电池管理系统(BMS)、整车控制单元(VCU)三大系统成为汽车的核心功能部件。这些关键部件无时无刻不产生特征数据,高性能存储器成为这些核心部件不可或缺的关键元件。加贺富仪艾电子(上海)有限公司产品管理部总监冯逸新认为:“无论是BMS还是VCU,这些系统都需要实时、连续地对当前状态信息进行监控、记录和分析处理,因此需要提高存储器性能和耐久性设计。非易失性、高速读写、高读写耐久性的车规级FeRAM很好的满足了这些对可靠性和无迟延的要求”。
 
BMS是连接车载动力电池和电动汽车的重要纽带,其主要功能包括:电池物理参数实时监测;电池状态估计;在线诊断与预警;充、放电与预充控制;均衡管理和热管理等等。“举个简单的例子,电池单元电量一般维持在30%~75%之间表示正常运作,如有不均衡的情况需从别的单元补充过来,这时系统需要检测记录电池单元的电量、温度、电压、电流等等数据,而且单次监测记录的时间不能间隔太长。” 冯逸新解释道。这也就意味着,BMS的数据记录与写入同样非常频繁,对非易失性存储器的写入次数要求比较高。同时在实际工作中,BMS系统不仅会以每秒或每0.1秒的频率去记录电池单元的电压、温度和电流等当前数据,而且要监控电池的短期(最后几个充电周期)和长期(整个使用寿命)的状态,这对最大程度延长电池使用寿命至关重要。“针对这些独特要求,还需要提高存储器性能和耐久性设计,因此非易失性、高耐久性、高速的车规级FeRAM是BMS的理想选择。” 冯逸新指出。

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图4:FeRAM应用之电池管理系统BMS

通过采用FeRAM技术,汽车制造商可以大大降低系统的复杂性和提高数据的完整性。自2017年开始,富士通半导体先后推出多款可在高达125℃高温环境下运作的车规级FeRAM产品。据悉,这些产品已经成功进入了东风、金龙、宇通、上汽通用五菱、华晨宝马、一汽、御捷、江淮、奇瑞等整车厂的诸多Tier-1、Tier-2供应链。目前FeRAM已被广泛应用于新能源汽车的关键电子系统,如安全气囊数据存储、事故数据记录器(EDR)、新能源汽车CAN盒(CAN-BOX)、新能源车载终端(T-BOX)、胎压监测、汽车驾驶辅助系统(ADAS)和导航与信息娱乐系统。


图5:FeRAM在汽车电子系统上的应用

满足差异化市场需求,打造全覆盖存储产品阵列

图形用户界面

低可信度描述已自动生成
图6:FeRAM具有非常广泛的应用场景

在互联网、物联网、大数据、云计算和人工智能等产业趋势下,自动化、信息化、智能化等技术加速渗透到生产和生活的方方面面,数据无处不在。传统制造向智能制造变革,开启了可视化、数字化时代。“这也为像FeRAM这样有独特性能优势的存储技术开拓了大量的市场机会,除了前面提到的电机数据存储、汽车数据存储,以及传统的三表计量应用,像这几年火热的太阳能、风能以及储能等新兴行业应用都对FeRAM这样的高性能存储提供了海量的应用需求。”梅宏飞指出。

富士通半导体除了可以提供FeRAM 产品,还有量产另外一种新型存储器ReRAM。ReRAM的主要优点是数据读取次数接近无限,读取电流极小,非常适用于一些对频繁读取数据有要求的一些应用。此外,也可以通过使用ReRAM来延长电池寿命,是助听器等医疗设备和智能手表等小型可穿戴设备的理想选择。

“富士通半导体一直注重产品研发能力的提升,近年来陆续推出能满足更多应用场景的产品,例如更新了54MB/s数据写入能力的8Mb Quad SPI FeRAM,支持高达100万亿次写入次数的新款8Mb FeRAM,量产可以工作于125℃的FeRAM车规级产品,等等。” 冯逸新表示。作为物联网设备和服务解决方案的领先供应商,富士通半导体拥有丰富的专业知识,使得其能够开发满足各种需求的高级非易失性存储器需求,除了已经获得超过40亿颗应用的FeRAM,还研发出了例如以碳纳米管为材料的非易失性存储器(NRAM)。未来,富士通半导体将继续提供高度可靠的产品,为客户创造和提供新的价值和最佳服务。


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