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

　　什么是NVM？

　　NVM，即Non－Volatile Memory，非易失性存儲器。

　　NVM 的特點是存儲的數據不會因為電源關閉而消失，像 Mask ROM、PROM、EPROM、EEPROM、NAND ／ NOR 閃存 （Flash Memory） 等傳統 NVM，以及，目前許多正在研發的新型態存儲器，如磁性存儲器 （MRAM）、阻變存儲器 （RRAM）、相變存儲器 （PRAM）、鐵電存儲器 （FeRAM） 等等都屬于 NVM。所以NVM的概念很大。

　　從可編程次數來看，NVM可以分為3類：

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

　　FTP：Few－Time Programmable，可編程的次數有限

　　OTP：One－Time Programmable，只允許編程一次，一旦被編程，數據永久有效

　　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器 （ non－volatile memory ）， 只允許編程一次，一旦被編程，數據永久有效。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，因此廣泛應用于low－cost 芯片中，OTP 常用于存儲可靠且可重復讀取的數據，如：啟動程序、加密密鑰、模擬器件配置參數等。

　　OTP NVM 指的是只可一次編程的非易失性存儲器。

　　隨著嵌入式應用的越來越廣泛，產品的安全也顯得越來越重要。一方面是為了保護硬件設計，另外一方面也是為了產品本身的安全，防止被HACKED。

　　在嵌入式系統當中，所有的代碼和系統數據都是被存儲在FLASH芯片內部的。FLASH芯片的特點是可多次擦寫，而且掉電數據不會丟失。為了保護FLASH中的數據，越來越多的FLASH廠商在FLASH內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用。但OTP的提供，有利于開發商開發和部署更安全的應用。如今，很多軟件和硬件的保護都是基于OTP來實現的。

　　eFuse

　　1、eFuse是什么

　　eFuse是一次性可編程存儲器，在芯片出廠之前會被寫入信息，在一個芯片中，eFuse的容量通常很小。

　　fuse是保險絲、熔絲的意思，在計算機技術中，eFuse（electric－fuse，電子保險絲）可以說是置于計算機芯片中的微觀保險絲。

　　2、eFuse的作用

　　eFuse可用于存儲MEM repair的存儲修復數據，也可用于存儲芯片的信息：如芯片可使用電源電壓、芯片的版本號、生產日期。在廠家生產好die后，會進行測試，將芯片的信息寫到eFuse中去。

　　2004年，IBM發明了eFuse， 不同于之前的可編程ROM， eFuse利用EM （ electromigration ） 效應來實現熔斷。eFuse 的發明是革命性的，它不依賴于工藝，不需要新材料，不需要新工具，它結合了獨特算法和新技術，在無需人工干預的情況下，可以監測并調整芯片的功能，以提高其質量、性能和功耗。

　　3、eFuse是如何使用的

　　芯片在初次上電過程中會讀取eFuse中的電壓字段數值，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提供一個標準的電壓（假設為1。0v），在接收到eFuse中的電壓字段數值后會調節電壓大小。

　　完成電源電壓調整后，芯片會重新進行上電復位操作。

　　4、eFuse的應用

　　eFuse 應用范圍很廣，從模擬器件的調整、校準、修復到系統軟件的現場更新，且被廣泛應用于安全領域，但由于eFuse的編程節點可以通過電子顯微鏡觀察到，因此其存儲的內容仍有破解之法。

　　因而，為順應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的提升，Anti－Fuse應運而生。Anti－Fuse 由兩個晶體管組成，一個是編程晶體管，另一個是讀或選擇晶體管，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制、安全性、功耗：

　　從編程機制來看：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 中間的窄區域。

　　eFuse 只能被編程一次，將對應比特的值編程為＂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，因此其存儲的內容可以被輕易破解，但Anti－Fuse在顯微鏡下無法區分編程位和未編程位，因此無法讀取數據。

　　不論哪種eFuse在顯微鏡下都可以區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，這使得未經授權的用戶很難獲得存儲在Anti－Fuse內存中的數據。

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

　　eFuse默認導通，存儲的是＂1＂，而Anti－fuse默認是斷開，存儲的是＂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器不同，多次可編程存儲器可以根據用戶需要進行多次重新編程和更新。

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

　　事實上，業界習慣上將MTP與EEPROM ／ Flash ／ OTP ／Mask ROM并列，從應用需求角度出發，OTP是一大類；EEPROM／Flash是一大類；MTP則是小眾需求，實現技術也基本基于前兩大類的工藝／設計技術，做較小的調整或權衡。

　　MTP實現方式和OTP不一樣，因此可以多次燒寫，設計架構復雜，成本較大。而MTP的原理也無法一概而論，因為實現方法多種多樣。

　　OTP的程序存儲器多是采用融絲結構的。編程過程是不可逆的破壞活動。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。EEPROM是利用電隧道電荷注入技術。

　　PROM

　　PROM（Programmable Read Only Memory）是可編程只讀存儲器，相對于傳統的ROM，其數據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bit 由熔絲 （fuse） 或反熔絲 （ antifuse ） 鎖定，根據采用的技術不同，可以在晶圓、測試或系統級進行編程。

　　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）會使該位讀為“ 0”。存儲器在制造后可以通過熔斷保險絲（blowing the fuses）進行一次編程，這是不可逆的過程。典型的PROM是“雙極性熔絲結構”，如果想改寫某些單元，可以給這些單元通以足夠大的電流，并維持一定的時間，原先的熔絲（fuse）即可熔斷，這樣就達到了改寫某些位的效果。另外一類經典的PROM是使用“肖特基二極管”的PROM，出廠時，其中的二極管處于反向截止狀態，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器。它的特點是具有可擦除功能，擦除后即可進行再編程，但是缺點是擦除需要使用紫外線照射一定的時間。

　　EEPROM

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

　　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。事實上，二者還是有差別的。FLASH ROM在擦除時，也要執行專用的刷新程序，但是在刪除資料時，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，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行，不需跳線，只利用專用程序即可方便地修改其內容；FLASH ROM的存儲容量普遍大于EEPROM，約為512K到至8M KBit，由于大批量生產，價格也比較合適，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型閃存的區別很大，NOR型閃存更像內存，有獨立的地址線和數據線，但價格比較貴，容量比較小；而NAND型更像硬盤，地址線和數據線是共用的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讀寫的場合，通常用于存儲程序代碼并直接在閃存內運行，手機就是使用NOR型閃存的大戶，所以手機的“內存”容量通常不大；NAND型閃存主要用來存儲資料，常用的閃存產品，如閃存盤、數碼存儲卡都是用NAND型閃存。

　　Mask ROM簡單介紹

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

　　OTP與MTP的總結

　　OTP與MTP相比，OTP存儲器的優點是面積更小，而且沒有額外的晶圓處理步驟。因此，對于許多低成本的應用，OTP存儲器被用來取代MTP存儲器。

　　舉個例子，小容量的MTP（bit量級），可以用成本最低的otp工藝通過電路設計來實現，那么我們發散思維，假如：可擦寫5次，就做5個同樣容量的OTP，寫一次用掉一下，下次寫換下一個，從而節省成本。

　　不同的應用場景，我們可以根據存儲器的特性，靈活選用。

　




審核編輯：劉清