在人工智能大型模型和边缘智能领域的算力需求激增的推动下，市场对于高性能存储解决方案的需求也在不断增加。据此，2024年全球存储器市场的销售额有望增长61.3%，达到1500亿美元。为了降低云和边缘的功耗，兼具高性能和非易失性的新型存储器正迎来市场快速增长的发展大时代，如铁电存储器FeRAM和ReRAM，以及磁性存储器MRAM、阻变式存储器ReRAM等。
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2020-2024年全球存储器市场规模及增速
专注于高性能存储器FeRAM和ReRAM的富士通半导体科技（上海）有限责任公司总经理冯逸新在由E维智库举办的第12届中国硬科技产业链创新趋势峰会暨百家媒体论坛上，围绕FeRAM和ReRAM最新技术进展以及在汽车等产业的应用现状进行了讲解。
解码 FeRAM和ReRAM，探索存储技术极限性能可能
FeRAM和 ReRAM代表了非易失性存储技术领域内的两项重要创新，旨在提供比传统存储解决方案（如 SRAM、DRAM 和 Flash）更高的性能和更小的尺寸。随着便携式系统市场在过去十多年间的迅速扩张，半导体产业对于大容量非易失性存储器（NVM）技术的兴趣日益浓厚。市场对更高效率、更快的内存访问速度及更低功耗的需求，不断推动着NVM技术的进步。据预测，全球非易失性存储器市场规模在2024年达到约945.2亿美元的基础上，到2029年将扩大至1647.9亿美元，其间将以11.76%的复合年增长率持续增长。
FeRAM依赖铁电材料的独特性质进行数据存储。该类存储器以其超快的读写速度、出色的写入耐久性以及较低的功耗特性而著称。FeRAM的读写速度是纳秒级，这远超过NOR flash、EEPROM；读写次数达到1014、1013之多，在某种意义上相当于无限次，而EEPROM、NOR Flash一般都有次数的限制。基于这两个特点，在实时写入、掉电保护等、需要读写次数比较高的快速非易失性存储的应用场景中（如智能卡、计量设备以及汽车中的事件数据记录仪），FeRAM有着不可替代的绝对优势。同时，FeRAM也可以替换EEPROM、SARM以及MRAM。
相比之下，ReRAM则利用材料电阻状态的变化来保存信息，通过电流调整特定材料（例如氧化铪）的电阻特性。在功能上，ReRAM类似于EEPROM规格，但内存容量更大、读出功耗更低、尺寸更小，非常适合于助听器等小型的电池驱动的可穿戴器件应用。近年来，ReRAM在全球范围内受到了极大的关注，虽然ReRAM技术已经出现在一些芯片制造商的路线图中，并且已有公司已经开始布局ReRAM相关的产品和服务，但是要实现大规模商用还需要克服一定的技术和市场挑战。“业内人士认为NOR Flash在下一代的时候工艺会进入瓶颈，未来可以替代NOR Flash的是ReRAM，但是ReRAM目前量产最大的容量是12Mb。若要替代NOR Flash，ReRAM的容量需要达到16Mbit到1Gb。”冯逸新表示。
赋能汽车等产业应用，智能存储获得广泛落地
在数字化转型的汹涌浪潮之下，存储技术的创新无疑成为了推动各个行业阔步前行的核心力量。FeRAM和 ReRAM作为崭露头角的非易失性存储新方案，以其别具一格的优势，在极为广泛的应用场景里彰显出了庞大的潜力。不管是在关乎国计民生的智能电网、智能交通系统之中，还是在工业自动化、医疗健康、娱乐科技以及云计算基础设施等领域之内，亦或是在日常生活里随处可见的智能标签和可穿戴设备之上，FeRAM 与 ReRAM 都发挥着至关重要的作用。
一、从电力计量到光储充，FeRAM为电力应用存数据
“智能电网包括、光伏变流器，都是这几年对新一代存储需求比较多的行业。我们在大陆深耕二十多年，FeRAM销量的重要来源之一就是智能电网。以电表为例，富士通是从智能电表发展的时候就介入市场的。”冯逸新说道。此外，电表之外的继电保护器也对存储有一定的需求，主要用于记录其未能正常工作的情况及事件发生的顺序，这一应用要求存储器能够进行高速实时写入，而FeRAM无疑是一个最佳选择。
“自2020年以来，光伏、逆变器和储能系统对FeRAM的需求显著增长。在光伏发电系统中，直流电（DC）需转换为交流电（AC），这一过程中逆变器扮演着重要角色，它需要每秒或每个毫秒记录故障信息及电流电压状态。同样，在将电力转换为交流电后，储能系统中的电池管理系统（BMS）也需记录相关数据，其工作原理与中的BMS相同。FeRAM凭借其高速读写能力和卓越的可靠性，在这些应用中展现出了显著的优势。”冯逸新补充道。
FeRAM在智能电网领域的应用
二、获磁式旋转编码器存储青睐，无源（无电池）设计成趋势
FeRAM的另一大应用就是工厂自动化（FA），据冯逸新介绍，施奈德、西门子、中国台湾的台达、大陆知名的数控机床供应商，以及中国排名前五的FA供应商等都是富士通的客户，这些厂商的工厂自动化部门采用的都是非常高端的存储方案，除了FeRAM还有MRAM、NVSRAM等存储器，近年来，尤其是在旋转编码器领域的应用日益增多。“编码器分为光学和磁式两种类型，在工厂自动化控制和汽车领域里，目前磁式旋转编码器发展是一个潮流。然而，由于磁式编码器内部使用了电池，而在欧洲等地电池受到了严格的管控。因此，为了实现无电池的编码器设计，就需要可高速写入、读写耐久性、超低功耗和内置二进制计数器的FeRAM来扮演关键角色。”冯逸新说。
通常情况下，在伺服驱动电机断电后，可能会因外界不可预测的因素发生碰撞，导致电机重新启动时的位置与断电前的位置产生偏移。这种情况下，如何在重启时找回准确的位置成为一个严峻的问题。为了解决这一难题，通常会使用IC-Haus的主控芯片，配合波斯特的韦根线圈，并结合带有二进制计数功能的FeRAM。“当外部不可抗力导致电机转动时，韦根线圈可以产生微弱的电能，而低功耗FeRAM能够在微弱电流的情况下工作，利用内置的二进制计数器记录电机的旋转次数。这样一来，当电机重新上电时，便能够准确地找回之前的位置。”冯逸新指出。
在欧洲和德国，编码器技术发展迅速，德国的iC-House、SEW、Fraba等，日本的尼康、三菱电机、多摩川精机等都是旋转编码器的著名供应商，他们也都在都在积极的研发相关产品。“传统的磁式编码器通常配备有电池，但在欧洲，带有电池的产品无法通过航空运输，只能选择海运，并且电池的管理极为严格。鉴于此，业界正在寻求去除电池的方法，因为电池在其使用寿命期间需要更换，这不仅增加了维护成本，对于位于偏远地区的公司而言，更换电池还意味着高昂的人工费用。因此，未来旋转编码器需要实现无源（无电池），带有二进制计数器FeRAM是目前无二的选择。”冯逸新介绍说，最近几年，中国台湾的台达以及中国做编码器的第一、二供应商，都已经把富士通的带有二进制计数器的FeRAM产品做进了自己的产品内，并计划于明年开始量产。总的来说，这种无电池的设计符合未来的发展需求。
FeRAM在编码器领域的应用
三、从BMS、TBOX到行车记录仪，全面赋能汽车关键数据存储
汽车电子因其独特的工作环境和严格的需求，需要专门设计的存储解决方案来确保其可靠性和性能。传统存储解决方案往往因成本问题而面临挑战，尤其是在EEPROM和NOR Flash的使用上。相比之下，由于新能源汽车领域的较高附加值，以及对创新存储技术的采纳更为积极，因此，富士通进行了大量的市场开拓，致力于提供符合汽车电子需求的先进存储解决方案。以BMS为例，每一颗电池芯片都需要记录各种数据，并保持一致性，记录的数据包括电池的SOC、状态的SOH，以及电池寿命和充放电周期的信息。对于此类应用，所需的存储器必须支持高速及频繁的写入操作。两年前，欧洲宣布将实施“电池护照”制度，规定从2027年起，所有进入欧洲市场的电池必须持有符合要求的“电池护照”。冯逸新认为，在新能源领域，尤其是中国市场，电池的回收与二次利用变得日益重要，未来若要与国际标准接轨，实现电池护照的通行，就必须依赖高性能的存储技术作为支撑，FeRAM是唯一能推动电池护照系统的存储解决方案。
FeRAM在汽车电子领域的应用
“由于市场需求旺盛，汽车级产品在过去两年经历了诸多升级。从前的新能源电池包、电池管理系统（BMS）、车载通信终端（TBOX）、行车记录仪，乃至先进的胎压监测系统，通常都需要使用符合AEC-Q100标准的SPI接口。近年来，市场上还出现了对I2C接口的汽车级产品的需求，为此，我们专门进行了产品线的补充和完善。目前，我们不仅能提供高达1Mbit的大容量存储，同时还实现了小型化封装。”冯逸新补充到。
高速、大容量：下一代FeRAM的产品迭代路径明确
FeRAM在市场上应用规模相对较小，主要原因在于两大瓶颈：一是其容量有限，当前最大容量仅为8Mbit；二是较高的成本，限制了其更广泛的应用。“关于未来如何实现大容量的发展，通常的做法是在现有的8Mbit基础上，通过堆叠技术叠加多个单元来扩展容量，例如叠加两个单元可以达到16Mbit，叠加四个单元则可达到32Mbit。”冯逸新分享道，“在速度方面，MRAM和SRAM的速度通常为35纳秒（ns），而富士通目前最快的FeRAM为120ns。展望未来，我们计划在下一代技术中实现速度的提升，目标是将产品的响应时间缩短至35ns。”
在演讲的最后，冯逸新分享了富士通未来的计划，主要包括两个方面：首先，针对SRAM+battery组合，鉴于市场对电池管理提出了环保低碳的要求，存储的发展方向将是消除对电池的依赖。其次，对于SRAM+EEPROM（或NVSRAM）组合，该配置与FeRAM相似，用现有量产FeRAM产品也可以替换，但是新一代高速FeRAM可以满足与SRAM一样的高速写入需求的应用。冯逸新表示，未来的研究与开发工作将紧密贴合市场需求，致力于进一步提升FeRAM 的速度性能。同时，还将推进Quad（四线）SPI产品的研发，以满足如游戏机和高端工厂自动化等对数据传输速率有着更高要求的应用领域的特殊需求。通过这些技术创新，富士通旨在为客户提供更快的响应时间和更高的数据处理能力，从而推动相关行业的发展和技术进步。
富士通的高速并口接口FeRAM
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