什么是OTP？eFuse是什么？eFuse是如何使用的？

One-Time Programmable/Multi-Time Programmable Memory（OTP&MTP）

　　什么是NVM？

　　NVM，即Non－Volatile Memory，非易失性存儲(chǔ)器。

　　NVM 的特點(diǎn)是存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)不會(huì)因?yàn)?a target="_blank">電源關(guān)閉而消失，像 Mask ROM、PROM、EPROM、EEPROM、NAND ／ NOR 閃存 （Flash Memory） 等傳統(tǒng) NVM，以及，目前許多正在研發(fā)的新型態(tài)存儲(chǔ)器，如磁性存儲(chǔ)器 （MRAM）、阻變存儲(chǔ)器 （RRAM）、相變存儲(chǔ)器 （PRAM）、鐵電存儲(chǔ)器 （FeRAM） 等等都屬于 NVM。所以NVM的概念很大。

　　從可編程次數(shù)來看，NVM可以分為3類：

　　MTP：Multiple－Time Programmable，可以多次編程

　　FTP：Few－Time Programmable，可編程的次數(shù)有限

　　OTP：One－Time Programmable，只允許編程一次，一旦被編程，數(shù)據(jù)永久有效

　　本文我們主要討論OTP與MTP。

　　什么是OTP？

　　OTP（One time programmable）是一種特殊類型的非易失性存儲(chǔ)器 （ non－volatile memory ）， 只允許編程一次，一旦被編程，數(shù)據(jù)永久有效。相較于MTP （multi－time programmable ） 如EEPROM等， OTP 的面積更小而且不需要額外的制造步驟，因此廣泛應(yīng)用于low－cost 芯片中，OTP 常用于存儲(chǔ)可靠且可重復(fù)讀取的數(shù)據(jù)，如：啟動(dòng)程序、加密密鑰、模擬器件配置參數(shù)等。

　　OTP NVM 指的是只可一次編程的非易失性存儲(chǔ)器。

　　隨著嵌入式應(yīng)用的越來越廣泛，產(chǎn)品的安全也顯得越來越重要。一方面是為了保護(hù)硬件設(shè)計(jì)，另外一方面也是為了產(chǎn)品本身的安全，防止被HACKED。

　　在嵌入式系統(tǒng)當(dāng)中，所有的代碼和系統(tǒng)數(shù)據(jù)都是被存儲(chǔ)在FLASH芯片內(nèi)部的。FLASH芯片的特點(diǎn)是可多次擦寫，而且掉電數(shù)據(jù)不會(huì)丟失。為了保護(hù)FLASH中的數(shù)據(jù)，越來越多的FLASH廠商在FLASH內(nèi)部提供了一種特殊的寄存器：OTP寄存器。

　　OTP本身并不能提供絕對安全的應(yīng)用。但OTP的提供，有利于開發(fā)商開發(fā)和部署更安全的應(yīng)用。如今，很多軟件和硬件的保護(hù)都是基于OTP來實(shí)現(xiàn)的。

　　eFuse

　　1、eFuse是什么

　　eFuse是一次性可編程存儲(chǔ)器，在芯片出廠之前會(huì)被寫入信息，在一個(gè)芯片中，eFuse的容量通常很小。

　　fuse是保險(xiǎn)絲、熔絲的意思，在計(jì)算機(jī)技術(shù)中，eFuse（electric－fuse，電子保險(xiǎn)絲）可以說是置于計(jì)算機(jī)芯片中的微觀保險(xiǎn)絲。

　　2、eFuse的作用

　　eFuse可用于存儲(chǔ)MEM repair的存儲(chǔ)修復(fù)數(shù)據(jù)，也可用于存儲(chǔ)芯片的信息：如芯片可使用電源電壓、芯片的版本號(hào)、生產(chǎn)日期。在廠家生產(chǎn)好die后，會(huì)進(jìn)行測試，將芯片的信息寫到eFuse中去。

　　2004年，IBM發(fā)明了eFuse， 不同于之前的可編程ROM， eFuse利用EM （ electromigration ） 效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)熔斷。eFuse 的發(fā)明是革命性的，它不依賴于工藝，不需要新材料，不需要新工具，它結(jié)合了獨(dú)特算法和新技術(shù)，在無需人工干預(yù)的情況下，可以監(jiān)測并調(diào)整芯片的功能，以提高其質(zhì)量、性能和功耗。

　　3、eFuse是如何使用的

　　芯片在初次上電過程中會(huì)讀取eFuse中的電壓字段數(shù)值，送到芯片外部的電源管理器，電源管理器在芯片初始上電前會(huì)提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的電壓（假設(shè)為1。0v），在接收到eFuse中的電壓字段數(shù)值后會(huì)調(diào)節(jié)電壓大小。

　　完成電源電壓調(diào)整后，芯片會(huì)重新進(jìn)行上電復(fù)位操作。

　　4、eFuse的應(yīng)用

　　eFuse 應(yīng)用范圍很廣，從模擬器件的調(diào)整、校準(zhǔn)、修復(fù)到系統(tǒng)軟件的現(xiàn)場更新，且被廣泛應(yīng)用于安全領(lǐng)域，但由于eFuse的編程節(jié)點(diǎn)可以通過電子顯微鏡觀察到，因此其存儲(chǔ)的內(nèi)容仍有破解之法。

　　因而，為順應(yīng)安全性和密度的需求，Anti－Fuse誕生。

　　Anti－Fuse

　　隨著需求的增多以及技術(shù)的提升，Anti－Fuse應(yīng)運(yùn)而生。Anti－Fuse 由兩個(gè)晶體管組成，一個(gè)是編程晶體管，另一個(gè)是讀或選擇晶體管，可隨著工藝幾何尺寸的縮小等比例縮小，因此隨著Macro 尺寸變大，Antifuse 的密度可以同比例增加，其密度可以達(dá)到百兆比特級。

　　來源：http：／／archive。eettaiwan。com／www。eettaiwan。com／emag／1302＿15＿DC。html

　　eFuse VS Anti－Fuse

　　Anti－Fuse與eFuse的最大差別在于編程機(jī)制、安全性、功耗：

　　從編程機(jī)制來看：Anti－Fuse， 在薄柵氧上施加高電壓，通過雪崩擊穿使晶體管的柵極和源極短路來編程。eFuse， 通過使用I／O電壓，向金屬條或多晶硅條施加高密度電流來編程，eFuse中的低電阻金屬由于高密度電流通過窄金屬或多晶硅而被電遷移熔斷，在編程期間，eFuse 的兩端寬大比中間較窄區(qū)域有更好的冷卻效果，因此，eFuse 的熔斷部分始終位于eFuse 中間的窄區(qū)域。

　　eFuse 只能被編程一次，將對應(yīng)比特的值編程為＂1＂， 如果編程后讀取的值不為＂1＂， 則編程失敗，這意味著良率下降。而Anti－Fuse 可以被編程18次左右，如果初次編程失敗，則可以反復(fù)對其編程，有助于良率提升。

　　從安全性來看：Anti－Fuse 比eFuse 的安全性更好，eFuse的編程位可以通過電子顯微鏡看到，因此其存儲(chǔ)的內(nèi)容可以被輕易破解，但Anti－Fuse在顯微鏡下無法區(qū)分編程位和未編程位，因此無法讀取數(shù)據(jù)。

　　不論哪種eFuse在顯微鏡下都可以區(qū)別出編程位和未編程位，而Anti－Fuse 不僅在顯微鏡下無法窺探到編程信息，通過FIB也檢測不到電壓熱點(diǎn)，這使得未經(jīng)授權(quán)的用戶很難獲得存儲(chǔ)在Anti－Fuse內(nèi)存中的數(shù)據(jù)。

　　從功耗來看：與eFuse相比，Anti－Fuse在未編程狀態(tài)下消耗的功耗更少。

　　eFuse默認(rèn)導(dǎo)通，存儲(chǔ)的是＂1＂，而Anti－fuse默認(rèn)是斷開，存儲(chǔ)的是＂0＂，因此Anti－Fuse的功耗也較eFuse小，面積也較eFuse小。

　　什么是MTP？

　　MTP，Multiple－Time Programmable，顧名思義，與一次性可編程存儲(chǔ)器不同，多次可編程存儲(chǔ)器可以根據(jù)用戶需要進(jìn)行多次重新編程和更新。

　　EPROM、EEPROM、NAND ／ NOR 閃存 （Flash Memory） 等都屬于MTP。

　　事實(shí)上，業(yè)界習(xí)慣上將MTP與EEPROM ／ Flash ／ OTP ／Mask ROM并列，從應(yīng)用需求角度出發(fā)，OTP是一大類；EEPROM／Flash是一大類；MTP則是小眾需求，實(shí)現(xiàn)技術(shù)也基本基于前兩大類的工藝／設(shè)計(jì)技術(shù)，做較小的調(diào)整或權(quán)衡。

　　MTP實(shí)現(xiàn)方式和OTP不一樣，因此可以多次燒寫，設(shè)計(jì)架構(gòu)復(fù)雜，成本較大。而MTP的原理也無法一概而論，因?yàn)閷?shí)現(xiàn)方法多種多樣。

　　OTP的程序存儲(chǔ)器多是采用融絲結(jié)構(gòu)的。編程過程是不可逆的破壞活動(dòng)。一般是把1寫成0。

　　而MTP多是采用EEPROM或者FLASH或者別的什么。寫過程也是1－0的變化。但是0在特定條件下可以變成1。如EPROM是在紫外線的照射下，形成光電荷沖入柵區(qū)。EEPROM是利用電隧道電荷注入技術(shù)。

　　PROM

　　PROM（Programmable Read Only Memory）是可編程只讀存儲(chǔ)器，相對于傳統(tǒng)的ROM，其數(shù)據(jù)不是在制造過程中寫入的，而是在制造完成之后通過PROM programmer寫入的。PROM 中的每個(gè)bit 由熔絲 （fuse） 或反熔絲 （ antifuse ） 鎖定，根據(jù)采用的技術(shù)不同，可以在晶圓、測試或系統(tǒng)級進(jìn)行編程。

　　典型的PROM的所有位都為“ 1”。在編程過程中燒斷熔絲位（Burning a fuse bit）會(huì)使該位讀為“ 0”。存儲(chǔ)器在制造后可以通過熔斷保險(xiǎn)絲（blowing the fuses）進(jìn)行一次編程，這是不可逆的過程。典型的PROM是“雙極性熔絲結(jié)構(gòu)”，如果想改寫某些單元，可以給這些單元通以足夠大的電流，并維持一定的時(shí)間，原先的熔絲（fuse）即可熔斷，這樣就達(dá)到了改寫某些位的效果。另外一類經(jīng)典的PROM是使用“肖特基二極管”的PROM，出廠時(shí)，其中的二極管處于反向截止?fàn)顟B(tài)，采用大電流的方法將反相電壓加在“肖特基二極管”，造成其永久性擊穿即可。

　　EPROM

　　EPROM（Erasable Programmable Read－Only Memory）是可擦寫可編程只讀存儲(chǔ)器。它的特點(diǎn)是具有可擦除功能，擦除后即可進(jìn)行再編程，但是缺點(diǎn)是擦除需要使用紫外線照射一定的時(shí)間。

　　EEPROM

　　EEPROM（Electrically Erasable Programmable Read－Only Memory）是電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器。它的最大特點(diǎn)是可直接用電信號(hào)擦除，也可用電信號(hào)寫入。

　　FLASH ROM

　　FLASH ROM屬于真正的單電壓芯片，在使用上很類似EEPROM，因此，有些書籍上便把FLASH ROM作為EEPROM的一種。事實(shí)上，二者還是有差別的。FLASH ROM在擦除時(shí)，也要執(zhí)行專用的刷新程序，但是在刪除資料時(shí)，并非以Byte為基本單位，而是以Sector（又稱Block）為最小單位，Sector 的大小隨廠商的不同而有所不同；只有在寫入時(shí)，才以Byte為最小單位寫入；FLASH ROM芯片的讀和寫操作都是在單電壓下進(jìn)行，不需跳線，只利用專用程序即可方便地修改其內(nèi)容；FLASH ROM的存儲(chǔ)容量普遍大于EEPROM，約為512K到至8M KBit，由于大批量生產(chǎn)，價(jià)格也比較合適，很適合用來存放程序碼，近年來已逐漸取代了EEPROM，廣泛用于主板的BIOS ROM。

　　FLASH Memory又分為NOR型和NAND型。NOR型與NAND型閃存的區(qū)別很大，NOR型閃存更像內(nèi)存，有獨(dú)立的地址線和數(shù)據(jù)線，但價(jià)格比較貴，容量比較??；而NAND型更像硬盤，地址線和數(shù)據(jù)線是共用的I／O線，類似硬盤的所有信息都通過一條硬盤線傳送一般，而且NAND型與NOR型閃存相比，成本要低一些，而容量大得多。因此，NOR型閃存比較適合頻繁隨機(jī)讀寫的場合，通常用于存儲(chǔ)程序代碼并直接在閃存內(nèi)運(yùn)行，手機(jī)就是使用NOR型閃存的大戶，所以手機(jī)的“內(nèi)存”容量通常不大；NAND型閃存主要用來存儲(chǔ)資料，常用的閃存產(chǎn)品，如閃存盤、數(shù)碼存儲(chǔ)卡都是用NAND型閃存。

　　Mask ROM簡單介紹

　　Mask ROM是掩模只讀存儲(chǔ)器，Mask也稱為光罩，所以也稱為光罩只讀存儲(chǔ)器。其通過掩模工藝，一次性制造，其中的代碼與數(shù)據(jù)將永久保存（除非壞掉），不能進(jìn)行修改。屬于不可編程ROM。

　　OTP與MTP的總結(jié)

　　OTP與MTP相比，OTP存儲(chǔ)器的優(yōu)點(diǎn)是面積更小，而且沒有額外的晶圓處理步驟。因此，對于許多低成本的應(yīng)用，OTP存儲(chǔ)器被用來取代MTP存儲(chǔ)器。

　　舉個(gè)例子，小容量的MTP（bit量級），可以用成本最低的otp工藝通過電路設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)，那么我們發(fā)散思維，假如：可擦寫5次，就做5個(gè)同樣容量的OTP，寫一次用掉一下，下次寫換下一個(gè)，從而節(jié)省成本。

　　不同的應(yīng)用場景，我們可以根據(jù)存儲(chǔ)器的特性，靈活選用。

　




審核編輯：劉清