當(dāng)我們?cè)谡務(wù)?a href="http://www.treenowplaneincome.com/callsale/bus/">物聯(lián)網(wǎng)(IoT，InternetofThings)時(shí)，我們所說的OTP有兩個(gè)不同的定義。一個(gè)大家比較?？吹降腛TP指的是一次性密碼(OneTimePassword)，另外一個(gè)OTP則是一次性可編程(OneTimeProgrammable)。

根據(jù)思科(Cisco)的分析預(yù)測(cè)，2020年將有超過500億臺(tái)的裝置與設(shè)備連接到互聯(lián)網(wǎng)，智能手機(jī)的流量將超過個(gè)人電腦的流量，寬帶速度將在2021年增加將近ㄧ倍。而在2022年，我們周遭的世界將嵌入ㄧ兆個(gè)網(wǎng)絡(luò)傳感器。雖然專家們對(duì)實(shí)際數(shù)字的預(yù)測(cè)略有不同，但可以確定的是，物聯(lián)網(wǎng)將會(huì)呈現(xiàn)指數(shù)性增長(zhǎng)。這物聯(lián)網(wǎng)成長(zhǎng)趨勢(shì)不僅僅將為傳統(tǒng)高容量的NVM帶來更大商機(jī)，也為一次性可編程非易失性存儲(chǔ)器(OneTimeProgrammableNon-VolatileMemory，以下以O(shè)TPNVM表示)帶來新機(jī)遇。

智能手機(jī)等移動(dòng)裝置及物聯(lián)網(wǎng)傳感器收集大量信息，數(shù)據(jù)處理中心及邊緣計(jì)算處理器會(huì)處理分析這些信息，進(jìn)而產(chǎn)生更多的數(shù)據(jù)，因此需要越來越多的存儲(chǔ)器，包含離散及嵌入式，來存儲(chǔ)這些信息與數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)總量已超過堯字節(jié)(Yottabytes，2^80字節(jié))，并且很快就會(huì)達(dá)到波字節(jié)(Brontobytes，2^90字節(jié))以上。(注：邊緣計(jì)算(EdgeComputing)是指將應(yīng)用程序、數(shù)據(jù)資料與服務(wù)的運(yùn)算，由網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點(diǎn)，移往網(wǎng)絡(luò)上的邊緣節(jié)點(diǎn)來處理，數(shù)據(jù)不用再傳到遙遠(yuǎn)的云端，在邊緣節(jié)點(diǎn)就能運(yùn)算)

高容量離散非易失性存儲(chǔ)器(NAND閃存)早已被廣泛用于次級(jí)大容量存儲(chǔ)系統(tǒng)，但隨著它的速度越來越快，加上每字節(jié)的成本持續(xù)下降(3DNAND的貢獻(xiàn))，使得高容量離散非易失性存儲(chǔ)器(以下以NVM表示)也逐漸成為主存儲(chǔ)系統(tǒng)的一個(gè)選項(xiàng)。而在另ㄧ端，主要用于行動(dòng)裝置及計(jì)算機(jī)內(nèi)之啟動(dòng)、應(yīng)用程序、操作系統(tǒng)和就地執(zhí)行(eXecute-in-Place，XIP)等代碼(Code)存儲(chǔ)的小容量嵌入式NVM(NOR閃存及掩模只讀存儲(chǔ)器(MaskROM))，卻因先進(jìn)半導(dǎo)體制程工藝的演進(jìn)而遭遇瓶頸。(注：ROM是ReadOnlyMemory的縮寫，Mask是掩模，也有人稱之為光罩，所以掩模只讀存儲(chǔ)器也有人稱之為光罩唯讀存儲(chǔ)器)

本文將帶你了解現(xiàn)有嵌入式非易失性存儲(chǔ)器(EmbeddedNVM，以下以eNVM表示)遭遇到哪些瓶頸，為什么要以O(shè)TPNVM取代傳統(tǒng)的嵌入式閃存，以及，物聯(lián)網(wǎng)使用之eNVM需要具備哪些關(guān)鍵要素。同時(shí)我們也會(huì)稍微介紹ㄧ下ㄧ種目前廣被使用的OTPNVM-單晶體管反熔絲(1TAnti-Fuse)OTPNVM。

嵌入式非易失性存儲(chǔ)器(eNVM)

NVM的特性是其存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)不會(huì)因?yàn)殡娫搓P(guān)閉而消失，舉凡MaskROM、PROM、EPROM、EEPROM、NAND/NOR閃存(FlashMemory)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。

若以寫入次數(shù)區(qū)分，則MaskROM及PROM屬于ㄧ次性可編程。其他的EPROM、EEPROM、NAND/NOR閃存，以及上述之新型態(tài)存儲(chǔ)器，則屬于多次可編程(MultiTimeProgrammable，以下以MTP表示)。

而當(dāng)我們提到eNVM，基于CMOS邏輯制程工藝技術(shù)的考量，傳統(tǒng)NVM適合用做eNVM的，只有MaskROM及NOR閃存。而新型態(tài)存儲(chǔ)器，嵌入式MRAM及嵌入式RRAM(以下以eMRAM及eRRAM表示)的量產(chǎn)均已準(zhǔn)備就緒，例如臺(tái)積電將于年底(2018)開始量產(chǎn)28nm/22nm之eMRAM及eRRAM。中芯國(guó)際也與RRAM供應(yīng)商Crossbar合作，提供40nm以下之eRRAM。

嵌入式MaskROM的瓶頸

MaskROM是ㄧ次性可編程存儲(chǔ)器，而且是在晶圓制造過程中進(jìn)行編碼。嵌入式MaskROM是透過ContactMask來寫入代碼，以存儲(chǔ)單元元件是否有Contact來決定該元件是否能導(dǎo)通，來決定該位(Bit)是存儲(chǔ)0還是1。(注：Contact是半導(dǎo)體制程工藝，在金屬層(MetalLayer)之前的ㄧ個(gè)Layer)

MaskROM無(wú)法像其它NVMㄧ樣是現(xiàn)場(chǎng)可編程性(FieldProgrammable)，因此無(wú)法在芯片封裝后才依應(yīng)用寫入代碼。這限制大大限縮了嵌入式MaskROM的應(yīng)用范圍。對(duì)于量大且代碼已經(jīng)固定的產(chǎn)品，嵌入式MaskROM可以免除編碼所需的時(shí)間(編碼ㄧ般是在在芯片測(cè)試時(shí)，或是在安裝芯片于裝置內(nèi)的現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行)，因?yàn)镃ode是在晶圓制造過程中寫入，而且沒有增加制程步驟。

相反的，對(duì)于量小或Code還未固定，或是Code多樣化(例如，因?yàn)閼?yīng)用不同而需寫入不同的Code)的產(chǎn)品，嵌入式MaskROM則會(huì)增加芯片生產(chǎn)成本，因?yàn)樗枰褂玫紺ontactMask。不同的代碼需要不同的ContactMask，每次改寫Code也須重新制作ContactMask及再次進(jìn)行晶圓后段生產(chǎn)。在先進(jìn)制程工藝，Mask及晶圓后段生產(chǎn)費(fèi)用是相當(dāng)昂貴的，這大幅降低了在先進(jìn)制程工藝使用嵌入式MaskROM的意愿。

另外ㄧ項(xiàng)重要因素則是安全性的考量，因?yàn)镸askROM可以輕易透過逆向工程(ReverseEngineering)來取得它所存儲(chǔ)的Code，這不是業(yè)者所樂意見到的，這一點(diǎn)我們后面會(huì)再加以說明。

嵌入式NOR閃存的瓶頸

嵌入式NOR閃存長(zhǎng)久以來ㄧ直是eNVM的首選，然而隨著先進(jìn)工藝的持續(xù)發(fā)展，它的優(yōu)勢(shì)與價(jià)值似乎已到達(dá)終點(diǎn)。大家應(yīng)該都已知道，在先進(jìn)邏輯工藝14nm以下，F(xiàn)in-FET結(jié)構(gòu)限縮了嵌入式NOR閃存的發(fā)展，也就是閃存的“縮放限制”-無(wú)論芯片上其余的CMOS能夠縮小多少，閃存都無(wú)法跟上步伐。

但這其實(shí)只說對(duì)了ㄧ半。

事實(shí)上在40nm工藝以下，嵌入式NOR閃存早就碰到問題。40nm/28nm邏輯工藝必須增加十層以上的Mask，才能生產(chǎn)高效能高品質(zhì)的嵌入式NOR閃存。給你ㄧ個(gè)概念，通常40nm/28nm的邏輯工藝約需40~50層的Mask，Mask費(fèi)用高達(dá)二、三百萬(wàn)美元，所以你可想見，再增加十多層Mask得增加多少成本。也因此目前在40nm以下，除極少數(shù)的大客戶外，已經(jīng)很少產(chǎn)品在使用嵌入式NOR閃存。

換句話說，自40nm工藝以下，目前eNVM的供應(yīng)處在ㄧ個(gè)空窗期。當(dāng)然，研發(fā)持續(xù)在進(jìn)行，因此大家重新開始重視我們即將介紹的OTPNVM，以及由其衍生而來的MTPNVM。這些OTP/MTPNVM雖然沒有使用NOR閃存所需的浮柵(FloatingGate)，使用CMOS邏輯制程工藝，不需增加任何Mask就能制造，工藝技術(shù)比崁入式NOR閃存簡(jiǎn)單。但不管是MTPNVM還是OTPNVM，其存儲(chǔ)單元面積或是寫入次數(shù)，都無(wú)法比擬原有的嵌入式NOR閃存，這也就是為什么大家那么期待前面所提到的新型態(tài)嵌入式存儲(chǔ)器eMRAM及eRRAM的原因了。

在新型態(tài)eNVM正式上市且穩(wěn)定量產(chǎn)之前，目前客戶大多選擇將NVM外掛，也就是使用離散NOR閃存晶粒，再以系統(tǒng)級(jí)封裝(SIP，SysteminPackage)方式將其與其它系統(tǒng)晶片封裝在ㄧ起，來因應(yīng)此eNVM的空窗期。

一次性可編程非易失性存儲(chǔ)器(OTPNVM)

終于來到我們本文的主題OTPNVM。首先要說明的是，并不是因?yàn)閑NVM碰到瓶頸才有OTPNVM。OTP存儲(chǔ)器已經(jīng)存在好幾十年，從1970年代就已經(jīng)有這類產(chǎn)品了。OTPNVM有很多種不同的形式，包含熔絲(eFuse)、反熔絲(Anti-Fuse)等等，我們?cè)谶@里就不多做說明。

因?yàn)殚W存的出現(xiàn)，OTP存儲(chǔ)器已經(jīng)很長(zhǎng)ㄧ段時(shí)間沒什么人重視，它之所以重新吸引大眾的目光，最主要的原因就是前面提過的40nm工藝以下嵌入式NOR閃存遇到瓶頸，以及，物聯(lián)網(wǎng)崛起，對(duì)安全性及低成本，低耗電的強(qiáng)烈需求。

接下來我們就來談?wù)勎锫?lián)網(wǎng)所使用之eNVM需要具備哪些關(guān)鍵要素，以及，為何OTPNVM具備這些優(yōu)勢(shì)。

物聯(lián)網(wǎng)使用之eNVM的關(guān)鍵要素

一，高安全性

eNVM最常被用于存儲(chǔ)啟動(dòng)或就地執(zhí)行(XIP)代碼、加密密鑰、網(wǎng)絡(luò)ID、驗(yàn)證碼等等用途。隨著物聯(lián)網(wǎng)的逐漸普及，硬件/軟件相互依賴性和個(gè)性化功能的不斷增加，這些物聯(lián)網(wǎng)裝置及設(shè)備內(nèi)的崁入式存儲(chǔ)器，不管是自駕車的感測(cè)裝置、汽車信息娛樂系統(tǒng)、醫(yī)療可穿戴裝置、還是智能手機(jī)的移動(dòng)金融應(yīng)用等，也必須具有最高級(jí)別的物理安全性。

相對(duì)于嵌入式NOR閃存可以被篡改覆蓋，MaskROM容易以逆向工程盜取所存儲(chǔ)的代碼、密鑰等數(shù)據(jù)，某些類型的OTPNVM，如單晶體管反熔絲(1TAnti-Fuse)OTPNVM，因只允許ㄧ次性編程，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)無(wú)法篡改。而且編程不會(huì)在視覺上改變存儲(chǔ)位單元外觀，因此幾乎不可能檢測(cè)存儲(chǔ)單元狀態(tài)，因而可以防止逆向工程取得存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。這使得這類型OTPNVM成為存儲(chǔ)代碼、加密密鑰、網(wǎng)絡(luò)ID、以及對(duì)于安全性至關(guān)重要的汽車應(yīng)用之引擎控制單元參數(shù)，以及自駕車傳感器配置參數(shù)存儲(chǔ)等，需要最高級(jí)別安全數(shù)據(jù)防護(hù)的理想選擇。

二，現(xiàn)場(chǎng)可編程性(FieldProgrammable)

現(xiàn)場(chǎng)可編程性是指芯片或嵌入式系統(tǒng)(如本文的eNVM)可以在芯片制造后，才由芯片設(shè)計(jì)公司、系統(tǒng)廠商、甚至是終端客戶來進(jìn)行編碼。現(xiàn)場(chǎng)可編程可以讓芯片設(shè)計(jì)或系統(tǒng)廠商有更多的時(shí)間及更大的彈性來實(shí)驗(yàn)、測(cè)試、驗(yàn)證及優(yōu)化不同版本的代碼，而不像崁入式MaskROM，必需在制造過程中(在ContactLayer前)就必需決定代碼。因此現(xiàn)場(chǎng)可編程可有效降低產(chǎn)品周轉(zhuǎn)時(shí)間(TurnaroundTime)，除此之外，它也可有效降低除錯(cuò)及更新的時(shí)間。

現(xiàn)場(chǎng)可編程的另ㄧ項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)是，它允許單個(gè)芯片支持多個(gè)版本的功能集。也就是說同ㄧ個(gè)芯片可以依不同的應(yīng)用寫入不同的代碼，以執(zhí)行不同的啟動(dòng)或功能。例如，支持藍(lán)牙和Wi-Fi的網(wǎng)絡(luò)芯片，可以給定不同的代碼來支持這些網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中的一個(gè)或兩個(gè)，以執(zhí)行特定的啟用。這與崁入式MaskROM相比，可有效降低生產(chǎn)成本(光罩及庫(kù)存成本)。

三，低電壓，低功耗

許多物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備與裝置均使用小電池供電而非使用電源線。對(duì)遠(yuǎn)程傳感器，要更換電池或是為電池充電是相當(dāng)困難甚至不可行的。因此，物聯(lián)網(wǎng)之傳感器、處理器及嵌入式存儲(chǔ)器都必需具有低待機(jī)(Standby)和低運(yùn)行功耗。

某些類型的OTPNVM的運(yùn)行功耗比傳統(tǒng)NVM降低了10倍，待機(jī)功耗降低了40倍。其中，1TOTPNVM使用低讀取電壓，能更進(jìn)一步降低功耗，因而使其成成電池供電的遠(yuǎn)程物聯(lián)網(wǎng)裝置的理想選擇。

四，縮短啟動(dòng)時(shí)間

OTPNVM速度足夠快，功耗足夠低，可以直接執(zhí)行代碼，無(wú)需將代碼復(fù)制到片上RAM來執(zhí)行。就地執(zhí)行的優(yōu)勢(shì)除了可以縮短啟動(dòng)時(shí)間，也因減少片上RAM存儲(chǔ)需求，進(jìn)一步降低了芯片成本。

五，低面積和低成本

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備需要小、節(jié)能，且具有合理的價(jià)格，才能具備足夠吸引力。這意味著必需盡可能在不犧牲性能的情況下，縮小芯片尺寸來降低制造成本，這當(dāng)然也包括芯片中的IP(例如存儲(chǔ)器)。1TOTPNVM的單元尺寸小，且因?yàn)樗恍枰~外的Mask或步驟就能制造，因此成本相對(duì)較低。使其成為物聯(lián)網(wǎng)傳感器、基礎(chǔ)設(shè)施跟蹤(InfrastructureTracking)和可穿戴裝置(Wearables)所需之eNVM的理想選擇。

總而言之，為因應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)對(duì)上述相關(guān)關(guān)鍵因素的要求，OTPNVM雖然有無(wú)法多次寫入之缺點(diǎn)，但相對(duì)于容易被逆向工程取得存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的MarkROM，以及，受限于制程工藝的崁入式NOR閃存，OTPNVM在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用上確實(shí)看到了新的商機(jī)。

產(chǎn)業(yè)訊息與支援

OTPNVM有多重要，從下面事實(shí)就可看出。EDA及IP巨頭Synopsys分別在去年底及今年初，并購(gòu)二大OTPNVM供應(yīng)商，Sidense及Kilopass。把它們的OTPNVM納入Synopsys的DesignWareIP邏輯庫(kù)中，供應(yīng)臺(tái)積電、中芯、聯(lián)電及格羅方德等晶圓代工廠的客戶使用。依其各自工藝技術(shù)，提供0.18um至7nm之崁入式OTPNVMIP，以及，由多個(gè)OTPNVM所組成的虛擬MTPNVM(后面會(huì)稍加說明)。

附帶一提，前面提過OTPNVM寫入代碼需花費(fèi)時(shí)間，因此，對(duì)于代碼已經(jīng)成熟固定且產(chǎn)量夠大的產(chǎn)品，某些OTPNVM可以經(jīng)由修改ㄧ道擴(kuò)散層掩膜(DiffusionMask)，就能將全部或部分OTPNVM轉(zhuǎn)成MaskROM，以節(jié)省編碼時(shí)間。

最后，我們稍微介紹ㄧ下OTPNVM的存儲(chǔ)器單元運(yùn)作原理，我們以Synopsysy的單晶體管分離通道反熔絲(1TSplitChannelAnti-Fuse)OTPNVM為例子加以概述。

單晶體管分離通道反熔絲OTPNVM存儲(chǔ)器單元

首先，之所以稱為「反熔絲」是因?yàn)樗奶匦栽砼c一般日常所用的熔絲、保險(xiǎn)絲恰巧相反。熔絲平時(shí)是短路導(dǎo)通狀態(tài)，被施加較高電壓時(shí)熔絲會(huì)燒斷，形成永久性的斷路(開路)，反熔絲則是平時(shí)是斷路狀態(tài)，施加電壓后反使其連接，形成導(dǎo)電路徑。

分離通道(SplitChannel)架構(gòu)是指其晶體管柵極(Gate)同時(shí)覆蓋厚的I/OOxide和薄的CoreOxide。然后通過施加高電壓給柵極，不可逆的擊穿CoreOxide，來對(duì)存儲(chǔ)器位單元進(jìn)行編程。高電壓可以來自嵌入式電荷泵(ChargePump)，或是通過外部供應(yīng)(例如測(cè)試機(jī)臺(tái))。

Synopsys的OTPNVM除了1TOTP之外，還有2TOTPNVM。但是從存儲(chǔ)器單元面積考量，不比MaskROM位單元大多少的1TOTPNVM顯然比2TOTPNVM更具吸引力。此外，1TOTP存儲(chǔ)器單元的讀取訪問時(shí)間非常快，搭配先進(jìn)工藝可以低至10ns，因此較易隨著工藝節(jié)點(diǎn)的縮小而擴(kuò)展。

虛擬的多次可編程非易失性存儲(chǔ)器(MTPNVM)

當(dāng)然OTPNVM只能寫入ㄧ次實(shí)在無(wú)法滿足客戶的需求，所以也有MTPNVM的研發(fā)。這些MTPNVM同樣沒有浮柵(FloatingGate)，使用CMOS邏輯制程工藝，不需增加任何Mask就能制造。然而，過去十幾年來雖然有很多公司都號(hào)稱研發(fā)且量產(chǎn)嵌入式MTPNVM，但目前實(shí)際的情況是，因?yàn)槠焚|(zhì)不穩(wěn)定等因素，這些嵌入式MTPNVM一直無(wú)法實(shí)際進(jìn)入穩(wěn)定的量產(chǎn)。

可是市場(chǎng)需求很強(qiáng)烈，所以大家開始思考替代方案，其中一種就是用許多OTPNVM來兜成MTPNVM。目前各代工廠的嵌入式MTPNVM多屬此類以空間(存儲(chǔ)器面積)換取Endurance(寫入次數(shù))的虛擬(Pseudo)MTPNVM。

MTPNVM的擦寫次數(shù)最多可以高達(dá)ㄧ千次，這是由ㄧ千個(gè)小OTPNVMBlock所組成，其結(jié)構(gòu)如下圖所示?？蛻艨梢榔渌铔Q定擦寫次數(shù)多寡，擦寫次數(shù)越多，所需OTPNVMBlock數(shù)目就越多，而每個(gè)Block的容量則越少。

MTPNVM包括ㄧ個(gè)固定不會(huì)修改的OTPCodeBlock?？蛻粢榔鋺?yīng)用把代碼分成不會(huì)再修改及可能會(huì)變更二部分，第一次寫入時(shí)分別寫入下圖中的最上方二個(gè)Blocks。爾后每次修改就使用ㄧ個(gè)新的Block來寫入更改的代碼，并關(guān)閉先前的Block。這種方式雖然達(dá)到多次寫入的目的，但很顯然，存儲(chǔ)器使用效率也變低了。

有沒有注意到圖4中OTP的Endurance也超過一次，這其實(shí)還是虛擬MTP的概念，只是寫入次數(shù)相對(duì)少很多，每個(gè)OTPBlock的容量則相對(duì)大多了。

總結(jié)

隨著物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的來臨，各項(xiàng)連接設(shè)備數(shù)量的急速增加，傳統(tǒng)崁入式NOR閃存在40nm以下先進(jìn)制程工藝碰到瓶頸，MaskROM成本高又容易被逆向工程盜取所存儲(chǔ)的代碼。OTPNVM及其衍生的虛擬MTPNVM已準(zhǔn)備好填補(bǔ)新型存儲(chǔ)器補(bǔ)位之前的空窗期，為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用帶來成本、尺寸、性能和安全性等各方面的優(yōu)勢(shì)。