FRAM В ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ ПРИБОРАХ УЧЕТА

В статье обсуждаются особенности и преимущества сегнетоэлектрических ОЗУ производства компании Fujitsu Semiconductor. Эти устройства позволяют снизить энергопотребление и повысить надежность хранения данных в интеллектуальных приборах учета, которые все шире применяются в современных электросетях. Статья представляет собой перевод.
Внимание производителей интеллектуальных счетчиков сосредоточено на энергонезависимой памяти FRAM компании Fujitsu Semiconductor. Память FRAM уже широко используется в измерителях мощности во многих странах и превосходные характеристики этого типа памяти — быстрая запись, практически бесконечное число циклов чтения/записи, низкая потребляемая мощность и защищенность от несанкционированного доступа — способствуют развитию технологии интеллектуальных счетчиков. Распространение новых энергосистем означает более сложные требования, которые предъявляются к интеллектуальным приборам учета, поэтому конкуренция среди разработчиков таких систем растет. В таких условиях разработчики интеллектуальных систем учета рассматривают FRAM, которая обеспечивает максимальное среди всех типов энергонезависимой памяти число циклов чтения/записи и сохраняет данные даже при кратковременных падениях напряжения и отключениях электроэнергии, как очень важный компонент таких систем.

ПОЗИЦИОНИРОВАНИЕ И ПРЕИМУЩЕСТВА FRAM
FRAM (Ferroelectric Random Access Memory — сегнетоэлектрическое ОЗУ) представляет собой энергонезависимую память, в которой для хранения данных используются сегнетоэлектрические пленки. В ней сочетаются такие свойства как энергонезависимость, т.е. сохранение данных даже при отключении питания чипа, и произвольная выборка данных. За последние несколько лет на рынке появились различные типы памяти, в т.ч. MRAM (магниторезистивное ОЗУ), в которых для ячеек памяти применяется магнитный материал; PRAM (ОЗУ на фазовых переходах), где ячейки памяти изготовлены из термочувствительного материала, и ReRAM (резистивные ОЗУ) с ячейками памяти из материала, чье сопротивление меняется в зависимости от приложенного напряжения. Но достижения производителей FRAM ставят этот тип памяти на совершенно отдельную позицию на рынке. Серийное производство FRAM началось в 1999 г. и на сегодняшний день поставлено более 2 млрд этих устройств. FRAM — весьма надежный тип памяти, который используется, главным образом, в промышленных приложениях, приборах учета, терминалах обслуживания и продажи билетов, производственном автоматизированном оборудовании, измерительном оборудовании, смарт-картах, банковских терминалах и т.д. FRAM от компании Fujitsu Semiconductor обеспечивает ряд преимуществ по сравнению с другими типами энергонезависимой памяти, такими как EEPROM или флэш-память. Например, по сравнению с обычной энергонезависимой памятью, FRAM потребляет намного меньшую мощность и имеет более высокую скорость записи. Для записи эти устройства расходуют менее 1/140 части той мощности, которую потребляют EEPROM, а скорость записи в 40000 раз больше, чем у EEPROM. Это примерно соответствует скорости SRAM и DRAM. Кроме того, FRAM обладает почти бесконечным ресурсом циклов чтения/записи, во много раз превышающим ресурс EEPROM и флэшпамяти. В то время как EEPROM и флэшпамять может быть записана 1 млн раз, FRAM может быть записана 1 трлн раз, т.е. в миллион раз больше.

ПАМЯТЬ С ПОВЫШЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТЬЮ
Другим уникальным свойством FRAM является структура ячейки памяти, обеспечивающая превосход- ную защиту от копирования на уровне устройства, которая предохраняет от несанкционированного чтения дан- ных. Обычная память сохраняет дан- ные в зависимости от того, присутству- ет ли электрический заряд в области хранения ячейки памяти. Изменения электрического заряда могут быть, таким образом, считаны посторон- ними, что делает возможным несанк- ционированный доступ к данным. Память FRAM, записывающая данные на основе эффекта поляризации, при которой электрическое поле изменяет расположение молекул в материале, в меньшей степени подвержена таким рискам. FRAM уже завоевала междуна- родное признание как устройство для защиты данных на физическом уровне, которое предотвращает несанкционированный доступ. Этот тип памяти был сертифицирован по EAL4+ — наивысшему уровню для потребительских устройств в систе- ме EAL (Evaluation Assurance Level), утвержденной международным стан- дартом ISO/IEC 15408 и Центральным агентством безопасности систем информации (DCSSI) Министерства обороны Франции.

ПРЕИМУЩЕСТВА FRAM ДЛЯ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ ПРИБОРОВ УЧЕТА
Запись данных в режиме реального времени Упомянутые выше свойства FRAM особенно полезны в системах регистрации данных с интеллектуальных приборов учета (см. рис. 1). Обычные интеллектуальные счетчики, как правило, содержат две системы. Первая — измерительная система, которая обеспечивает основную функцию счетчика: она содержит микропроцессор с входной интерфейсной цепью и схему отображения. Другая — коммуникационная система, функцией которой является передача измеренных данных во внешний центр обработки для табулирования и обмена данными вне измерительной системы. Для обеих этих коммуникационных функций можно использовать систему регистрации данных. Например, измерительный блок в интеллектуальных счетчиках в электрических сетях использует систему регистрации данных для фиксирования потребления энергии и нагрузки в сети в режиме реального времени. В таких системах данные следует записывать с высокой скоростью — примерно два раза в секунду. Система регистрации данных измерительного блока сохраняет данные для мониторинга рабочего состояния сети и управляет данными для обеспечения оптимального распределения мощности. В идеальном случае данные записываются с высокой частотой, и потому весьма востребованы такие свойства FRAM как быстрая запись и огромное число циклов чтения/записи. Запись данных в режиме реального времени также позволяет повысить эффективность интеллектуальных счетчиков для систем с предварительной оплатой за пользование ресурсами. В системе, в которой плата взимается за определенный период времени, более длительные интервалы между моментами оплаты может вызвать большие колебания энергопотребления. Использование FRAM, которая очень быстро записывает данные и потребляет мало энергии, увеличивает частоту фиксирования данных, не повышая потребляемую мощность счетчика. Другими словами, взимание оплаты происходит чаще, и колебание величины оплаченной мощности уменьшается. Снижение энергопотребления FRAM помогает снизить суммарную мощность, потребляемую интеллектуальным прибором учета. Необходимо обеспечить возможность работы интеллектуальных счетчиков от батарей на случай перебоев электроснабжения или в других непредвиденных ситуациях. Именно поэтому интеллектуальные счетчики должны потреблять мало энергии, и, в этой связи, FRAM с ее очень низким энергопотреблением и возможностью сохранения данных даже в случае сбоя подачи электроэнергии, оказывается весьма полезным устройством. Поскольку эти приборы потребляют малую мощность, FRAM позволяет увеличить срок службы батареи, когда прекращается подача питания. Повышенная защита данных Еще одним преимуществом FRAM является повышенная защита данных. В памяти интеллектуальных счетчиков сохраняются данные по энергопотреблению в доме. Такая конфиденциальная информация должна быть в безопасности и потому требует дополнительных мер защиты. Защищенная от несанкционированного доступа память FRAM гарантирует намного более высокую степень безопасности, чем системы, использующие обычную память. Обеспечение защиты и надежности хранения данных очень важно при разработке интеллектуальных счетчиков
Рисунок 1
Рисунок 2
Рисунок 3
Применение FRAM в интеллектуальных счетчиках
Продуктовая линейка FRAM
Компактный 8-выводной корпус SON
РАСШИРЕННАЯ ЛИНЕЙКА FRAM ДЛЯ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ СЧЕТЧИКОВ
Обладая технологией производства FRAM с высокими характеристиками, компания Fujitsu Semiconductor предлагает широкую линейку продуктов, в которую входят и самостоятельные FRAM, и специализированные микросхемы — ИС радиочастотной идентификации (RFID), ИС для проверки прав доступа и другие изделия, в состав которых входит FRAM. При этом автономные FRAM предназначены для использования, главным образом, в интеллектуальных счетчиках. Такие FRAM выпускаются с тремя вариантами интерфейсов: SPI, I2C и параллельным интерфейсом. Информационная емкость составляет 4–256 Кбит, 16–256 Кбит и 256 Кбит…4 Мбит для, соответственно, устройств с I2C-, SPI- и параллельным интерфейсом (см. рис. 2). Учитывая потребность заказчиков в уменьшении площади монтажа микросхем на плате, компания поставляет 16-Кбит микросхемы MB85RC16 и MB85RS16 с I2C- и SPI-интерфейсом в компактном 8-выводном корпусе SON с размерами 3×2 мм (см. рис. 3). В настоящее время в интеллектуальных счетчиках используются микросхемы с SPI-интерфейсом в качестве памяти блока измерения и микросхемы с параллельным интерфейсом для коммуникационного блока, передающего информацию в центр обработки данных. Чтобы удовлетворить потребность разработчиков в устройствах с большей емкостью памяти, компания в настоящее время разрабатывает микросхемы емкостью 1–2 Мбит с SPI-интерфейсом и микросхемы емкостью 8 Мбит с параллельным интерфейсом. Учитывая сегодняшнюю активность на рынке интеллектуальных приборов учета, компания Fujitsu Semiconductor прилагает дополнительные усилия по развитию рынка для FRAM, используемых в этих устройствах. В связи с этим, компания регулярно демонстрирует свои изделия на отраслевых выставках по всему миру. В 2011 г. она принимала участие в конференциях и выставках Metering, Billing/CRM в Индонезии, Индии, Нидерландах и России, а в 2012 г. — в Китае и Таиланде. На этих выставках в состав экспозиции компании входили микросхемы FRAM, а также микропроцессоры общего назначения семейства FM3, а также нового семейства 8FX и сопутствующие компоненты. В 2013 г. компания продолжит свою деятельность по продвижению FRAM по всему миру как наиболее эффективный тип памяти для интеллектуальных счетчиков. В настоящее время FRAM используется в интеллектуальных счетчиках и других типах приборах учета, поскольку этот тип памяти обладает уникальными преимуществами перед другими типами ЗУ — высокая скорость записи данных защищает от потери информации при отказах питания; высокий ресурс циклов чтения/записи обеспечивает сбор данных с более высокой частотой, а малое энергопотребление исключает необходимость в аварийном батарейном питании для сохранения данных. Учитывая нынешний рост интереса к интеллектуальным электросетям, устройствам аккумулирования энергии и другим системам эффективного использования электроэнергии, FRAM, несомненно, повысит привлекательность интеллектуальных приборов учета, поэтому инженерам следует внимательно следить за разработками компании Fujitsu Semiconductor в этой области.