一次可编程的非易失性存储器（OTP NVM）工作原理、eFuse模块解析

Author： Nirvana Of Phoenixl
Proverbs for you：There is no doubt that good things will always come, and when it comes late, it can be a surprise.

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本文主要用于通过分析eFuse工作原理及其模式

1 基本概况及介绍

  不同于大多数FPGA使用的SRAM阵列，eFuse一次只有一根熔丝能够被编程，这是该方法的配置能力存在限制范围的原因。但当与日益成熟的内置自测试(BIST)引擎组合使用时，这些熔丝就变成了强大的工具，能减少测试和自修复的成本，而这正是复杂芯片设计所面临的重大挑战。
   eFuse就好像在硅片上建立了无数个交通岗哨，控制信号的传输或停止，据悉这将把芯片中的电路运行效率提高上千倍。比如您购买了一个新的控制器，最开始的时候控制器的功能是空的，不过在把它带回家后，它重新识别了您家中的所有系统，电视、音响、DVD，并且自动对自身进行改造，来控制这些电器。

1.1 相关简介

  （1）非易失性存储器（NVM，Non-Volatile Memory）
  所谓非易失性存储器NVM 的特点是存储的数据不会因为电源关闭而消失。比如Mask ROM、PROM、EPROM、EEPROM、NAND / NOR 闪存 (Flash Memory) 等传统 NVM，以及目前许多正在研发的新型态存储器，如磁性存储器 (MRAM)、阻变存储器 (RRAM)、相变存储器 (PRAM)、铁电存储器 (FeRAM) 等等都属于 NVM。因此，非易失性存储器NVM的概念设计的范围很广。
  从可编程次数来看，NVM可以分为3类：
 MTP：Multiple-Time Programmable，可以多次编程
 FTP：Few-Time Programmable，可编程的次数有限
 OTP：One-Time Programmable，只允许编程一次，一旦被编程，数据永久有效。
  实际上我们常说的OTP（One-Time Programmable）指的是可编程的次数，代表一次可编程存储器此类特性的存储单元，并不特指某一种存储器。
  （2）关于一些存储器（Mask ROM, PROM, EPROM, EEPROM）
  Mask ROM是掩模只读存储器，Mask也称为光罩，所以也称为光罩只读存储器。其通过掩模工艺，一次性制造，其中的代码与数据将永久保存(除非坏掉)，不能进行修改，属于不可编程ROM.PROM（Programmable Read Only Memory）是可编程只读存储器，相对于传统的ROM，其数据不是在制造过程中写入的，而是在制造完成之后通过PROM programmer写入的。PROM 中的每个bit 由熔丝 ( fuse ) 或反熔丝 ( antifuse ) 锁定，根据采用的技术不同，可以在晶圆、测试或系统级进行编程。典型的PROM的所有位都为“ 1”。在编程过程中烧断熔丝位（Burning a fuse bit）会使该位读为“ 0”。存储器在制造后可以通过熔断保险丝（blowing the fuses）进行一次编程，这是不可逆的过程。典型的PROM是“双极性熔丝结构”，如果想改写某些单元，可以给这些单元通以足够大的电流，并维持一定的时间，原先的熔丝（fuse）即可熔断，这样就达到了改写某些位的效果。另外一类经典的PROM是使用“肖特基二极管”的PROM，出厂时，其中的二极管处于反向截止状态，采用大电流的方法将反相电压加在“肖特基二极管”，造成其永久性击穿即可。EPROM（Erasable Programmable Read-Only Memory）是可擦写可编程只读存储器。它的特点是具有可擦除功能，擦除后即可进行再编程，但是缺点是擦除需要使用紫外线照射一定的时间。EEPROM（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory）是电可擦除可编程只读存储器。它的最大特点是可直接用电信号擦除，也可用电信号写入。
  （3）一次可编程的非易失性存储器（OTP NVM）
  针对OTP NVM存储器主要有两种eFuse 和Anti-Fuse。fuse是保险丝·、熔丝的意思，在计算机技术中，eFuse（electric-fuse，电子保险丝）是置于计算机芯片中的微观保险丝。该技术是IBM在2004年发明的，可以对芯片进行动态实时重新编程。概括地说，计算机逻辑通常被“蚀刻”或“硬连线”(“etched” or “hard-wired”)到芯片上，在芯片制造完成后不能更改，但使用eFuse，芯片制造商可以在芯片上的电路运行时进行更改。具体下文详解。

1.2 关于eFuse工作原理

  OTP，One time programmable，是一种特殊类型的非易失性存储器 ( non-volatile memory ), 只允许『编程』一次，一旦被编程，数据『永久』有效。相较于MTP (multi-time programmable ) 如EEPROM, OTP 的面积更小而且不需要额外的制造步骤，因此广泛应用于low-cost 芯片中，OTP 常用于存储可靠且可重复读取的数据。
  eFuse电子保险丝可以用硅或金属制成，它们都是通过电迁移来工作的，即电流导致导体材料移动的现象。随着时间的流逝，编程期间产生的“熔丝碎屑”会反向生长，导致金属线断开的相同电迁移也会导致金属线无意中再次连接，从而改变原本要存储的数据，导致了错误的行为。此特性限制了eFuse 的可读次数。
  Anti-Fuse（反熔丝）是一种电气装置，其功能与保险丝相反。保险丝从低电阻开始，默认是导通状态，当灌以较大的电流时切断电路。而反熔丝从高电阻开始，默认是不导通状态，当灌以较大的电压时，可将其转换为永久性导电路径。
  Anti-fuse 比eFuse 的安全性更好，eFuse的编程位可以通过电子显微镜看到，因此其存储的内容可以被轻易破解，但Anti-fuse在显微镜下无法区分编程位和未编程位，因此无法读取数据。
  传统eFuse的熔丝由多晶硅栅极层制成，随着工艺几何尺寸的缩小和High-K 材料的使用，现在eFuse的熔丝改由金属制成，随着时间的流逝，编程期间产生的『熔丝碎屑』会反向生长，这限制了eFuse的可读次数。eFuse的形状类似于领结，中心是一条窄金属条，较大的端头用作通孔和散热器的连接，受限于该形状，随着晶体管尺寸的减小，eFuse 的尺寸不能按比例减小，因此随着Macro 尺寸变大，eFuse 的密度并不能同比例增加，很少会超过4KB。
  计算机逻辑通常是“蚀刻”或“硬编码”到芯片上，在芯片完成后不能改变。通过使用eFuse技术，芯片制造商可以允许芯片上的电路在运行时发生变化。该技术的主要应用还主要是为了芯片的性能调优。如果芯片局部发生问题，例如存储器发生问题，或者需要花费太长的时间来响应，或者消耗了太多的电力，那么芯片就可以通过“blowing”一个eFUSE来立即改变它的行为，已保证其他功能不受影响。

2 应用功能总结

  eFuse应用范围很广，从模拟器件的调整、校准、修复到系统软件的现场更新，且被广泛应用于安全领域，但由于eFuse的『编程结点』可以通过电子显微镜看到，因此其存储的内容可以被轻易破解。efuse类似于EEPROM，是一次性可编程存储器，在芯片出场之前会被写入信息，在一个芯片中，efuse的容量通常很小，可EFuse支持反复写入，但写到总的空间就不可以再写。
  简单就 eFuse功能 作以总结介绍，具体如下文：
  （1）Efuse被广泛利用最重要的一个原因就是能够对有缺陷的芯片进行修复，而且在修复的过程当中不需要外界的干预。对于芯片的生产以及考虑到生产的成本，最重要的一点就是芯片生产的良率，若生产出有缺陷的芯片，而又不能修复那处理的结果就只能是报废，这样的处理方式在很大程度上增加芯片的成本。Efuse技术的出现，即通过改变电路的某些电压，或者特意去关闭一些功能模块，这样即使芯片出现缺陷，但是依旧能去实现芯片要实现的某些功能。这样即使有生产出来的芯片有缺陷，通过Efuse技术去发现错误，并且对错误进行修复，这样一来芯片还是可以正常使用，所以Efuse技术在提高芯片的良率以及降低芯片的成本上有很大的贡献。另一方面，通过找到芯片易出错的地方，有助于以后芯片的改进，以前的熔丝都是单排的，只能进行一次的编程，而随着工艺的改进，现在Efuse采用的都是多排阵列，这就实现了Efuse的自我修复。
  （2）利用Efuse可以降低芯片的功耗以及增加芯片的可控性，由于Efuse可以进行编程，从而可以实现芯片关闭某些工作模块，当我们不需要某些模块时可以利用Efuse的编程来限制或者是屏蔽某些功能，从而可以降低芯片的功耗，也能进一步增加芯片的可控性。
  （3）可提高芯片的安全性，利用Efuse技术，密码随时都可以进行修改，能有效的降低黑客的入侵。
  （4）Efuse技术还可以降低制造的成本。在第一个功能应用中我们通过对芯片的修复，能减小芯片的报废而降低一部分成本，另外一个降低成本是通过芯片的集成多种不同的应用功能模块，当客户选择不同的功能时，不需要重新设计与制造，只需要通过Efuse技术来选择功能模块。这就在另一个层面来达到降低成本的效果。
  （5）随着工艺的更微小化，Efuse利用电位迁移的技术，不仅不会对周边的电路造成破坏，而且还能对在封装后的芯片进行编程，这使得Efuse在芯片中的应用更为广泛。
  （6）类似启动程序、加密密钥、模拟器件配置参数等。可通过efuse 控制着系统启动方式。模拟电路受工艺制造等误差的影响，流片回来的芯片往往需要对作参数校准，调试完成后将确定的值烧写到OTP中，芯片上电后OTP的值被装载到寄存器中，模拟电路参数完成校准。通过运用eFuse技术，允许计算机芯片的动态实时重新编程。Efuse可用于存储MEM repair的存储修复数据，也可用于保存芯片量产信息，以便后续追踪，如芯片可使用电源电压，芯片的版本号，生产日期。
  Efuse对于芯片而言就像一个指挥官，它能够控制芯片中很多信号的的传输或者将其停止，这样就使得芯片中的其他电路能够更快的运转，Efuse不仅再一次的拯救芯片，还能提高芯片的效率。

3 关于eFuse解析

3.1 基本介绍

  S14NSFPEFUSE_PIPO4KB_A模块是并行输入/并行输出电熔丝宏IP，具有4K内部非易失性一次性可编程EFUSE存储器。对于串行接口，在编程模式下每次可编程1位，在读取模式下每次可读取8位。举例说明（不代表该IP支持）
          写模式如下

          读模式如下

eFuse功能特点如下参考涉及：
 存储单元组织形式：组织成512×8位的一次性可编程非易失性电熔丝存储单元。
 典型电压：0.8V典型内核电压(DVDD)。
 熔断燃烧时间：累计燃烧时间不得超过1s。
 工作：工作结温范围
燃烧（熔断）要求如下：
 1.8V典型燃烧电压，在编程模式下AVDD必须为高电平。在读取模式和非活动模式下，PGMEN必须为低电平。

3.2 相关信号

输入/输出类型	功能描述
EN-input	地址信号使能
RD-input	读使能
A-input	地址输出
D-output	数据输出
input	数字电源、模拟电源

具体信号不同因厂商而异

3.3 eFuse操作模式

eFuse宏有三种操作模式，具体如下：
  （1）编程模式（Program mode）、
  （2）读取模式（Read mode）、
  （3）非活动模式（Inactive mode）。
  eFuse模块三种模式选择由其读选择信息（RDEN）和程序选择（PGMEN）的逻辑电平共同决定。
工作模式：
  Mode 编程使能
  PGMEN 读取使能
  RDEN 模拟电源
注意事项：
（1） 编程使能和读使能不允许同时为H。
（2） 除了在编程模式或读取模式下，不允许地址输入高电平，也就是说只有在编程或读取模式下才允许AEN为高电平。
（3） 在编程模式或读取模式下，当AEN为高电平时，不允许端口(地址)切换。
（4） 既不允许读取模式直接转换到编程模式，也不允许PGM模式直接转换到读取模式。

3.3.1 编程模式（Program Mode）

  在燃烧前，初始Fuse输出为“0”，燃烧后写入“1”。当编程模式(读使能RDEN=L，编程使能PGMEN=H)时，由地址A[11:0]（地址输入位）指定的EFUSE位将被AEN（地址使能位）的高脉冲烧毁。程序模式的详细时序见详解。D[7:0]在程序模式下未定义。
注意:一根Fuse只能烧一次。

3.3.2 读取模式（Read Mode）

  如果RDEN=H，PGMEN=L，则EFUSE进入读取模式。读取模式的详细时序间详解。地址信号A[11]~A[9]为“无效”。4K = (4*1024) byte = 4096byte
2^9 = 512 组织成512×8位的一次性可编程非易失性电熔丝存储单元。其中A[11:0]为地址输入，A[0]_{A[8]是有效单元，D[0]}D[7]是读取模式下的并行数据输出。

【重点分析】 对于上图所示的efuse阵列，为了精准控制每一个efuse，显然需要进行行列控制。A[8:0]的高3位可产生8（2^{3）个列信号，低6位可产生64（2}6）个行信号，这样就可以对64*8的矩阵实现地址控制。需要编程时，令PGEN=1，RD=0，对指定地址位的熔丝进行熔烧操作。当需要读取熔丝数据时，令PGEN=0，RD=1，数据以每次8bit的形式并行输出，实际是一次读出一行数据（512bit），全部读出需要64（512/8=64）次。

3.3.3 非活动模式（Inactivate Mode）

如果编程模式和读取模式都不活动，则EFUSE进入非活动模式。非活动模式下的首选待机条件为AEN = L，RDEN = L，PGMEN=L，D[7:0]在非活动模式下未定义。