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工业存储再进化,MRAM接棒下一代

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工业存储是半导体产业中一个低调但关键的细分市场。与消费级存储以容量和成本为核心诉求不同,工业存储更关注的是可靠性,比如7×24小时连续运行、-40~125℃宽温环境、强振动与电磁干扰、意外掉电频发等等。这些工况决定了工业设备无法直接采用消费级存储器件,“工业级”由此成为独立于消费级、车规级之外的明确产品门类。

数十年来,工业存储介质几经迭代,却始终没能交出一份同时满足所有核心要求的完美答案。直到 MRAM 技术走向成熟,工业存储介质似乎第一次有了“完美答案”。而驰拓科技作为国内唯一实现 MRAM 量产的制造商,已建有自有 12 英寸产线,并率先将这一介质带入工业现场。

01

工业存储的介质之困

回望三十年,工业存储的介质选择经历了数次更迭,每一次更替,都是新需求对旧介质的一次淘汰。

上世纪七八十年代:EPROM与EEPROM时代。早期工控机的程序与参数存储依赖可擦除可编程只读存储器(EPROM)。EPROM需要紫外线擦除、整片重写,维护极为不便;EEPROM实现了电擦除、且支持按字节改写,维护性远好于EPROM,但擦写寿命仅10⁴~10⁵量级、写入速度慢、容量做不大。这一时期的存储,解决的是“可重复编程”的有无问题,还远远谈不上可靠性指标。

九十年代:NOR Flash接棒。随着闪存工艺成熟,NOR Flash凭借成本低、读取快、供应链完善,迅速取代EEPROM,成为工控机代码存储与参数存储的主流,并延续至今。但它继承了EEPROM的底层局限:擦写寿命仅105量级,面对高频数据记录力不从心;“先擦除、再写入”的机制不仅增加指令与电路复杂度,也让每次写入伴随数据管理风险。这种妥协在智能仪表体现得最充分。比如,电表的计量与负荷曲线数据需要按秒级持续写入,而闪存的寿命撑不住,于是行业形成了一套复杂的技术惯例:通过软件算法“省着用”闪存、设计冗余存储、定期搬移数据,工程师的大量精力不是花在业务上,而是花在伺候介质寿命上。

方案SRAM+电池/超级电容+Flash/EEPROM方案登场。随着工业设备对掉电数据保持的需求明确化,“SRAM的速度+电池的保持能力”成为掉电数据记录的经典组合。但掉电保持完全依赖电池,运维方必须定期巡检更换;一旦电池失效而未被发现,数据便会丢失。最典型的案例便是PLC,作为工业自动化系统的核心,PLC在运行过程中实时产生过程与结果数据,对存储器提出了快速读写和百亿次级擦写寿命的要求,这超出了当时常规非易失存储器的能力,SRAM+电池于是成为标配方案。直到今天,许多PLC主板上仍留着纽扣电池仓。

其他并行路线的尝试:NVRAM。工业界对非易失性随机存储器(NVRAM)的探索从未停止,主要有三类方案:FRAM(铁电存储)、NVSRAM和MRAM。其中,FRAM耐擦写出色,但容量受限、成本偏高,难以承担中大容量(4Mb以上)数据记录;NVSRAM需要配备超级电容支持掉电后的数据落盘,且容量有限(不超过4Mb),成本偏高;MRAM无需电容,耐擦写足够且支持16Mb、64Mb级容量。



回到本质,工控机对存储的要求可概括为四句话:写不坏、掉不丢、扛得住宽温、免维护。每一代介质的应用,都解决了上一代的一个痛点,却又留下新的短板,没有一种传统路线能同时满足这四点,多数方案是在用“组合”与“妥协”换取达标。

02

高可靠工业场景,把存储要求推向极致

四十年未解的短板,在高可靠工业场景中尤为明显。工业现场存在大量实时控制设备,这些设备需要实时、快速地保存设备状态、系统日志等关键数据;工控设备还需要应对高温、震动等恶劣环境的考验;此外,为了避免异常掉电造成的数据丢失,工控设备通常还需使用备用电池。

更严峻的是,石化、电力、轨交等高可靠工业场景对设备生命周期达到15~20年以上的要求,长期免维护成为必须项;而边缘智能设备往往部署在无人值守或维护成本极高的现场,器件的每一次更换都意味着实打实的运维支出。关键性与长寿命将工业存储的要求推向极致。

这些极致要求的具体表现,其一,耐擦写能力达到1014(万亿)次量级。高频记录场景下,传统闪存的十万次擦写寿命可能数月即告耗尽,介质先于设备报废,这是工业现场不可接受的失效模式。其二,掉电非易失且数据保持20年以上。工业设备投运后很少停机,数据保持必须以十年、二十年为单位计算;且这一能力不能随擦写磨损而衰减,这恰恰是所有EEPROM/Flash类器件的阿喀琉斯之踵。其三,写入速度足以支撑掉电瞬间的数据安全落盘。真正的可靠性不是“加个电池兜底”,而是在意外断电的毫秒之间,关键数据已完成写入。这要求写入周期达到几十纳秒量级,且不依赖任何需要维护的后备器件。其四,-40~125℃宽温工作能力。轨交、电力、冶金等现场环境,对器件温域适应性提出了远超消费级产品的要求。其五,容量覆盖能力。边缘智能让关键数据层的体量同样在增长,运行日志从几Kb涨到几Mb甚至更多,故障录波需要记录分钟级乃至小时级的波形数据,可靠介质必须覆盖Kb至百Mb的完整区间。FRAM虽然性能不错,但其容量天花板止步于数Mb级,中大容量需求无米下锅。

单项指标,传统方案尚可勉力凑齐;但多项兼得,旧有技术路线已无解。NOR Flash栽在耐擦写与掉电保护;SRAM+电池栽在免维护与容量;超级电容栽在隐性失效;FRAM栽在容量天花板。工业存储需要一次从介质层面的进化。

03

MRAM:工业存储的“再进化”

MRAM(Magnetoresistive Random Access Memory)是一种非易失性的磁性随机存储器,它利用磁电阻效应来存储数据。与传统的半导体随机存取存储器(RAM)不同,MRAM使用磁性隧道结(MTJ)作为存储单元,通过改变磁化方向来记录二进制数据。这一物理机制决定了它的先天禀赋:断电后磁态天然保持,即天生的非易失性;写入通过电流翻转磁化方向完成,读写速度接近SRAM;且支持按字节随机寻址。换言之,MRAM从底层同时具备了RAM的速度与Flash的非易失性,被视为“理想存储”的现实答案。



从参数来看,MRAM的指标非常优秀,具体来看:1014的耐擦写能力意味着每秒百万次写入也能稳定使用十年,彻底解除高频记录场景下的寿命焦虑;35 ns的高速写入周期让关键数据在掉电瞬间安全落盘,无需电容、无需电池,从源头消除定期维护的成本与隐性失效风险;按字节寻址、无需先擦除再写,则简化了电路与指令设计,让整个数据通路更简洁、更可靠。与此同时,容量覆盖Kb至百Mb的产品谱系,使其成为现有量产NVRAM中,中大容量(>4Mb)的唯一解决方案,参数配置区、设备日志区、实时数据缓存区,均能找到对应的落地路径。

更关键的是,MRAM并非停留在概念阶段。国内厂商驰拓科技已建成自有12英寸MRAM生产线,是国内唯一可提供量产MRAM产品的制造商,建有90nm、40nm、28nm量产平台,可提供MRAM独立式产品及嵌入式IP定制开发服务。目前,驰拓MRAM已在故障录波、高频日志记录、宽温数据存储等工业场景实现应用落地,为高可靠工控设备提供了经过量产验证的存储底座。



PLC原理框图

通过采用MRAM方案,可以把电池从PLC里请出去。据了解,PLC数字输入模块采样频率高达500Hz,按20年设备寿命计算,累计写入次数高达3千亿次,远超过传统非易失闪存的擦写寿命。驰拓MRAM以单器件同时解开三颗雷:万亿次擦写覆盖全生命周期写入,纳秒级写入保证掉电瞬间数据落盘,方案中从此不再有电池这一故障点,PLC的存储设计第一次可以做到全生命周期免维护。



智能仪表原理框图

在智能仪表方面,2020版智能电表技术规范要求电表的使用寿命不得小于16年。以1次/秒的数据保存频率计算,16年内需要保存5亿次计量数据和负荷曲线数据。驰拓的MRAM具有万亿次擦写寿命和纳秒级写入速度,无需通过软件来规避传统非易失存储器读写次数不够的问题,以器件能力直接覆盖。

04

工业级存储的下一站

工业场景的高可靠存储的演进史,本质上是一部“用更可靠的介质对冲更严苛场景”的历史:从Flash到铁电,从电池兜底到电容缓冲,每一代方案都在逼近极限,却始终无法同时抵达“写不坏、掉不丢、宽温、免维护”的终点。

MRAM的出现,让这条漫长的逼近之路第一次看到了终点。而对国内工业产业而言,意义不止于一款新器件,在供应链安全日益重要的当下,驰拓科技12英寸MRAM量产线的建成,意味着高可靠工业场景存储的底层能力第一次实现了本土化。从器件到生态,工业级存储的下一站,已经开启。

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