前些年隨著一部輕喜劇的播出，“查水表”一詞已被引申為調侃之語了。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的詞在日常生活中也正與我們漸行漸遠，因為傳統三表已經實現了智能計量和無線數據采集、數據實時存儲和無線采集。作為其中的關鍵環節，數據存儲的低功耗和可靠性越來越受到關注。在不久前閉幕的智能水/氣計量產業鏈高峰論壇（WATER & GAS METERING China2016）上，富士通電子元器件（上海）有限公司亞太區市場部總經理王鈺針對三表數據存儲發表了專題演講。
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先于氣表和水表，業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，但趨勢已經啟動，目前陸續已經有十多家水/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/氣表存儲關鍵數據的器件就提出了更高的要求。特別是為建設節水型社會，國家相關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將快速推動數據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/氣表存儲關鍵數據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
傳統的三表存儲方案通常基于EEPROM或Flash實現，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秒記錄一次數據計算， 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(wear leveling)。此外，作為電池供電的設備，水/氣表的功耗也是需要考慮的問題，如何在存儲環節省下每一個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技術的成熟，產品更加廣泛、價格逐漸走低，已經成為當前智能電表的主流選擇。全球電力儀表知名企業Top 10中已有6家的電表在采用富士通 FRAM！而在水/氣表行業，目前正像四、五年前的智能電表行業一樣，FRAM正在迅速導入到業界的新方案設計中。”
FRAM為何能續寫智能電表行業“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/氣表設計的痛點：
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）；
FRAM具有高速寫入特點，無須超級電容；
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顯著的讀寫速度優勢
水表/氣表都是采用電池供電的設備，里面的電池需要使用10-15年，因此功耗預算非常敏感，電路的所有環節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，延長其待機狀態，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！
據悉，FLASH的讀寫時序是先擦除、然后發送寫入指令、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直接發布寫入指令即完成數據寫入的動作，只需極短的時間。“更關鍵的是，這么長的讀寫時間有可能導致EEPROM或Flash數據寫入期間發生電源中斷，數據有丟失的風險！”王鈺指出。
“其次，FRAM的可靠性還體現在遠比EEPOM或Flash具備更多的讀寫次數。FRAM的讀寫次數最大可達10萬億次，可實現高頻繁的數據紀錄，比如實時記錄，這是EEPROM或Flash很難支持的。”王鈺在演講中強調道。
據王鈺介紹，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(wear leveling)。例如，MCU將數據流D1到Dn發送到EEPROM，將EEPROM分成四個存儲區域，第一個數據寫入到區域一的地址一中，第二個數據寫入地址二中，第二次將第一個數據寫入到存儲區域二的地址一，第三次、第四次……從而將寫入耐久性提高四倍。FRAM的讀寫次數多(高耐久性)，根本不需要使用耗損均衡技術，從而可實現存儲器的小容量化，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據存儲器——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、醫療、工業控制、物聯網、傳感器網絡等領域的應用風生水起，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。據悉，由于掌握著從研發、設計到量產及封裝的整個流程，加上多年豐富的經驗，富士通半導體能始終保證FRAM產品的高品質和穩定供應。未來富士通半導體還將不斷推出更多新品，逐步實現大容量化。據悉，富士通已經開始著手研發8Mb的產品。
圖5：完全兼容EEPROM，設計無需更改
FRAM在性能上的優勢是顯而易見的，但作為計量產品，無論是水/氣表還是電表方案，客戶首要關注的是質量。 “富士通半導體使用成熟技術生產FRAM的時間已經超過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、宏大的經營業務遠景是我們的FRAM在客戶的電表產品中獲得廣泛應用的關鍵因素之一。” 王鈺指出。
此外，產品兼容性也是王鈺比較強調的方面，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。
“中國市場已經成為富士通FRAM在全球最大的潛力市場。我們在產品的價格、交貨、工廠產能分配及技術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/氣表設計生產廠家以及自來水和燃氣公司多層面互動交流，FRAM的卓越特性受到業界的深度關注，繼智能電表之后，FRAM在水表和氣表行業正在迎來又一個春天。