FRAM 概述
作為行業(yè)中最大的鐵電隨機(jī)存儲器（Ferroelectric Random Access Memory）供應(yīng)商，富士通公司早在1998年就將鐵電隨機(jī)存儲器結(jié)合到微處理器中,，并在1999年推出批量產(chǎn)品,，均為行業(yè)之最。新一代的非易失性鐵電隨機(jī)存儲器在性能上超過現(xiàn)有的存儲器,，比如電可擦除只讀存儲器（EEPROM）,、電池后備供電靜態(tài)讀寫存儲器（BBSRAM）。鐵電隨機(jī)存儲器耗電更少,，對于多次讀寫運算具有更高的耐受性,。這一突破性存儲介質(zhì)正在各種應(yīng)用中使用，包括智能卡,、無線射頻識別（RFID）和安全應(yīng)用,。
鐵電隨機(jī)存儲器屬于非易失性存儲器，但在其它各方面則類似于隨機(jī)存儲器,。因此,，和其它類型的非易失性存儲器相比（如電可擦除只讀存儲器和閃存），它的特點是寫入速度更快,，擦寫次數(shù)更多,，同時耗電少。
到目前為止,，富士通半導(dǎo)體已經(jīng)開發(fā)出了高頻段（13.6MHz）和超高頻段（860 MHz到960 MHz）RFID LSI產(chǎn)品,。這些產(chǎn)品最重要的特點就是它們內(nèi)嵌FRAM。由于擦寫速度快,、耐擦寫次數(shù)高,，它們已經(jīng)作為數(shù)據(jù)載體型被動RFID LSI而被全世界廣泛采用。
富士通開發(fā)的 RFID 專用芯片,，在原有 13.56MHz 的 HF 頻帶的基礎(chǔ)上,，又增 加 了 860 ～ 960MHz 的 UHF 頻 帶 產(chǎn)品。其最大的特點就是配備了鐵電隨機(jī)存儲器FRAM（Ferroelectric RandomAccess Memory）,，從而靈活運用其高速寫入,、可多次擦寫等特性，作為大容量數(shù)據(jù)載體型無源 RFID 專用芯片，在國 內(nèi)外得以廣泛應(yīng)用,。
大存儲數(shù)據(jù)載體的優(yōu)勢就是RFID可以記錄可追溯數(shù)據(jù)，如制造數(shù)據(jù),、生產(chǎn)數(shù)據(jù),、物流數(shù)據(jù)、維護(hù)數(shù)據(jù)等,，因此它可用于各種資產(chǎn),、產(chǎn)品和零部件的管理。由于大存儲數(shù)據(jù)載體具有這些優(yōu)勢,，人們希望進(jìn)一步利用FRAM RFID來連接傳感器等設(shè)備,。
LSI公司是創(chuàng)新芯片、系統(tǒng)和軟件技術(shù)的領(lǐng)先供應(yīng)商,，采用LSI技術(shù)的產(chǎn)品可以使消費者與信息及數(shù)碼內(nèi)容之間無縫的融合,。公司在眾多領(lǐng)域提供產(chǎn)品和服務(wù)，包括定制和標(biāo)準(zhǔn)芯片,、適配器,、系統(tǒng)和軟件。我們的產(chǎn)品已經(jīng)獲得眾多世界級知名品牌的信任,，為存儲和網(wǎng)絡(luò)市場提供了許多領(lǐng)先的解決方案,。
為了供應(yīng)市場上的需求，我們開發(fā)出了一種帶有串行接口的技術(shù),；超高頻段RIFD LSI上的串行外圍接口（SPI）,。此次，富士通從此種市場需求入手,，開發(fā)出了在 UHF 頻帶 RFID 專用芯片中配置串行接口SPI的技術(shù),。
FRAM FRID LSI的附加值
FRAM是一種非易失性存儲器，使用鐵電材料作為數(shù)據(jù)載體,，結(jié)合了隨機(jī)存儲器（RAM）和只讀存儲器（ROM）的優(yōu)勢,。作為用在RFID中的非易失性存儲器，電擦除可編程只讀存儲器（E2PROM）已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用,，但是當(dāng)數(shù)據(jù)被寫入時,，E2PROM需要內(nèi)部升壓電壓，因為數(shù)據(jù)存儲的原則就是要看是否帶有電子電荷,，所以它的寫入速度非常慢（需要數(shù)毫秒）,，耐擦寫次數(shù)也僅限于10萬次。因此,，大部分基于E2PROM的RFID LSI都是小存儲容量產(chǎn)品,，只適合讀，不適合寫。
相比較而言,，F(xiàn)RAM在寫和讀方面的性能一樣好,，因為二者的原則一樣。FRAM本身的擦寫速度是100納秒,，耐讀/寫次數(shù)是100億次,。這就是FRAM RFID為什么可以作為數(shù)據(jù)載體提供大存儲容量的原因。
存儲容量大,、擦寫速度快的RFID的最重要的優(yōu)勢在于,，它可以在自己的存儲器上記錄數(shù)據(jù)，由此可以將數(shù)據(jù)處理方式從集中數(shù)據(jù)管理轉(zhuǎn)變?yōu)榉稚?shù)據(jù)管理,。傳統(tǒng)的E2PROM RFID在很多情況下都采用集中管理的方式,，在這種模式下，數(shù)據(jù)存在了服務(wù)器端,，需要與標(biāo)簽本身的ID相關(guān)聯(lián),。而FRAM RFID可以實現(xiàn)分散數(shù)據(jù)管理，數(shù)據(jù)可以存在標(biāo)簽上,，由此減輕了服務(wù)器的載荷,。這種方式尤其適合工廠自動化（FA）和維修領(lǐng)域中的生產(chǎn)歷史管理。在工廠自動化領(lǐng)域中,，有數(shù)百個流程都需要經(jīng)常寫入數(shù)據(jù),；在維修領(lǐng)域中，現(xiàn)場數(shù)據(jù)確認(rèn)時也需要經(jīng)常寫入數(shù)據(jù),，如維修歷史,、零部件信息等，這樣就不需要詢問數(shù)據(jù)服務(wù)器,。
FRAM的另一個主要特點,，就是在防輻射方面明顯優(yōu)于E2PROM。例如,，在醫(yī)療設(shè)備和包裝,、食品或者亞麻布的伽瑪射線滅菌過程中，存在E2PROM中的數(shù)據(jù)會受到放射線的嚴(yán)重影響,，因為它的數(shù)據(jù)存儲采用的是電子電荷,。而存在FRAM中的數(shù)據(jù)在高達(dá)45kGy的放射水平下仍然不會受到影響。
RFID是Radio Frequency Identification的縮寫,，即射頻識別,。它通過射頻信號自動識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識別工作無須人工干預(yù),，可工作于各種惡劣環(huán)境,。RFID技術(shù)可識別高速運動物體并可同時識別多個標(biāo)簽,， 操作快捷方便?；镜腞FID系統(tǒng)由標(biāo)簽（Tag）,、閱讀器（Reader）、天線（Antenna）,。RFID技術(shù)有著廣闊的應(yīng)用前景,，物流倉儲、零售,、制造業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域都是RFID的潛在應(yīng)用領(lǐng)域,，另外,，RFID由于其快速讀取與難以偽造的特性，一些國家正在開展的電子護(hù)照項目都采用了RFID技術(shù),。
在RFID LSI上內(nèi)置串行接口
FRAM RFID LSI上已經(jīng)內(nèi)置了串行接口,，為作為數(shù)據(jù)載體的RFID提供了額外的功能。這種配置的主要特點就是,，對于同一個FRAM存儲區(qū)來說,，既可以從串行接口進(jìn)入，也可以從RF接口進(jìn)入,。
通過串行接口與微控制器（以下將“微控制器”簡稱為“MCU”）相連后,，F(xiàn)RAM可以作為MCU的外部存儲，并通過RF接口進(jìn)入,。因此,，RFID閱讀器就可以閱讀MCU寫過的存儲數(shù)據(jù)，而對于MCU來說,，就可以閱讀參數(shù)數(shù)據(jù),，如通過RF接口編寫的運行環(huán)境。
例如,，我們可以假設(shè)傳感器與MCU相連,，那么就可以將RFID看作是一種傳感器標(biāo)簽。在這種情況下,，MCU會定期監(jiān)測傳感器數(shù)據(jù),，然后寫入FRAM存儲器，過段時間后,，就可以通過RF接口讀取所收集的可追溯數(shù)據(jù),。同時，也可將RFID看作MCU的參數(shù)存儲器,。在這種情況下,，MCU就是存在指定存儲區(qū)的一些參數(shù),，存儲區(qū)中的數(shù)據(jù)可以通過RF接口改寫，然后MCU就會改變間隔獲取傳感器數(shù)據(jù),，或者更改閃光燈的條件進(jìn)行告知,。就RFID和傳感器之間的結(jié)合而言，有源標(biāo)簽也是個眾所周知的解決方案,。但是有源標(biāo)簽只是一種單向通訊模式,，它沒有可供RF閱讀器日后讀取數(shù)據(jù)的存儲器。因此有源標(biāo)簽不能作為數(shù)據(jù)載體記錄可追溯數(shù)據(jù),。
實際應(yīng)用可能包括對工廠設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)測,，比如壓力、流量等,，或者游戲機(jī),、醫(yī)療設(shè)備等的歷史數(shù)據(jù)記錄。就目前掌握的信息來看,，這些應(yīng)用中,，有些通過現(xiàn)有的技術(shù)（如非接觸式智能卡）就已經(jīng)達(dá)到了應(yīng)用要求，有些采用了我們的技術(shù)后在存儲容量,、傳輸速度等方面還沒達(dá)到要求,。
但是我們希望通過這一技術(shù)能發(fā)現(xiàn)RFID新的用途和應(yīng)用，并能將該技術(shù)做進(jìn)一步的測試,，從而實現(xiàn)更多構(gòu)想,。
圖1 FRAM RFID 應(yīng)用實例
探討有關(guān)串行接口使用的問題
從客戶的反饋來看，我們認(rèn)識到還需要對串行接口連接的使用問題進(jìn)行進(jìn)一步的探討,。其中的一個問題與電池有關(guān),，另一個就是通信距離。
RF數(shù)據(jù)傳輸是通過被動通信模式建立起來的,，這就意味著電源由閱讀器或?qū)懭肫魈峁?。這樣的話，串行數(shù)據(jù)傳輸就需要額外的電池,。電池問題是有源標(biāo)簽中的普遍問題,，我們的技術(shù)在實際應(yīng)用中有時被誤解為有源標(biāo)簽。但不管怎樣,，電池壽命是需要考慮的問題,。
從這一點上來看，串行接口的功能最適合于機(jī)器或儀器中的嵌入式應(yīng)用,，因為這些應(yīng)用中總是能提供穩(wěn)定的電源,。但是，如果標(biāo)簽被牢固地安裝和依附在一些可移動的資產(chǎn)或者物體上,，電池管理就會成為問題,，因為電池壽命結(jié)束時無法對電池進(jìn)行更換,。
因此，根據(jù)使用環(huán)境評估電池壽命顯得尤為重要,，可以考慮一些充電設(shè)備,，比如充電電池，或者利用一些能源發(fā)電的電池,。如果在RF通信過程中能夠充電,，在理論上應(yīng)該是不錯的選擇，但是卻不實用,，因為通信距離會受到嚴(yán)重破壞,。
關(guān)于通信距離，眾所周知,，阻抗匹配對于超高頻段至關(guān)重要,，因為它決定了通信性能。因此必須考慮到,，匹配阻抗會因為通過串行接口連接各種LSI和器件，或者因為安裝在電路板上,，而受到嚴(yán)重影響,。從上述情況來看，如果使用串行接口,，與傳統(tǒng)的RFID標(biāo)簽相比,，天線設(shè)計可能會越來越復(fù)雜。
未來發(fā)展形式
由于RFID代表射頻識別（RADIo Frequency IDentification）,，RFID起初被用作可由RFID閱讀器讀取的ID存儲,。富士通半導(dǎo)體將FRAM用在了RFID上，由于FRAM擦寫速度快,、耐擦寫次數(shù)高而實現(xiàn)了大容量存儲的數(shù)據(jù)載體標(biāo)簽,。如今，內(nèi)置串行接口的RFID增加了一項新功能,，即時標(biāo)簽不在RF區(qū)域,，也可通過MCU從傳感器等設(shè)備上記錄可追溯數(shù)據(jù)，并可在日后通過RF讀取數(shù)據(jù),。
后續(xù)發(fā)展工作
所謂 RFID,，究其根本，顧名思義,，就是可以利用 RF 讀取的ID,。存儲器使用大容量的 FRAM，則 RFID 可作為數(shù)據(jù)載體頻繁進(jìn)行寫入,；本篇所介紹的芯片 配置了串行接口,，為 RFID 帶來了新的 應(yīng)用,。即 RFID 能夠通過 MCU 與傳感器等進(jìn)行連接，從而在無讀寫器的環(huán)境下,，也能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的管理,，并利用 RF 讀出其歷史記錄。雖然這在技術(shù)上是可行的,，但是在實用性上還存在著很多問題,。因此，該芯片可用作評估 RFID 新應(yīng)用的樣片,，今后,，希望通過客戶的使用和我們自己的評估，逐步完善芯片的性能,，從而發(fā)現(xiàn)新的可能性,。在與客戶進(jìn)行評估和探討的過程中，我們將改進(jìn)LSI的規(guī)格的問題,。此外,，此外，與 RFID 相連的 MCU 也已形成產(chǎn)品線,，請在使用過程中一并給以評估,。