OTP是什么？MTP又是什么呢？

先對(duì)文章標(biāo)題做個(gè)概括，不管是OTP還是MTP，都屬于NVM。

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(lái)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：?jiǎn)?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(lái)越廣泛，產(chǎn)品的安全也顯得越來(lái)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(lái)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(duì)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(lái)實(shí)現(xiàn)的。

eFuse

1、eFuse是什么

eFuse是一次性可編程存儲(chǔ)器，在芯片出場(chǎng)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(shuō)是置于計(jì)算機(jī)芯片中的微觀保險(xiǎn)絲。

圖源：MA-Tek

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(cè)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(lái)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(wú)需人工干預(yù)的情況下，可以監(jiān)測(cè)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(guò)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），在接受到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(chǎng)更新，且被廣泛應(yīng)用于安全領(lǐng)域，但由于eFuse的編程結(jié)點(diǎn)可以通過(guò)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(jí)。

eFuse VSAnti-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(lái)看：Anti-Fuse, 在薄柵氧上施加高電壓，通過(guò)雪崩擊穿使晶體管的柵極和源極短路來(lái)編程。eFuse, 通過(guò)使用I/O電壓，向金屬條或多晶硅條施加高密度電流來(lái)編程，eFuse中的低電阻金屬由于高密度電流通過(guò)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(duì)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(duì)其編程，有助于良率提升。

從安全性來(lái)看：Anti-Fuse 比eFuse 的安全性更好，eFuse的編程位可以通過(guò)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(wú)法區(qū)分編程位和未編程位，因此無(wú)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(wú)法窺探到編程信息，通過(guò)FIB也檢測(cè)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(lái)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。

圖源網(wǎng)絡(luò)：傳統(tǒng)的MTP單元-電路和布局圖像

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(wú)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(guò)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(guò)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(duì)于傳統(tǒng)的ROM，其數(shù)據(jù)不是在制造過(guò)程中寫入的，而是在制造完成之后通過(guò)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(cè)試或系統(tǒng)級(jí)進(jìn)行編程。

典型的PROM的所有位都為“ 1”。在編程過(guò)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(guò)熔斷保險(xiǎn)絲（blowing the fuses）進(jìn)行一次編程，這是不可逆的過(guò)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(lái)存放程序碼，近年來(lái)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，容量比較小；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(guò)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(chǎng)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(lái)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。

圖源網(wǎng)絡(luò)：256位MTP IP的布局圖

Mask ROM簡(jiǎn)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(guò)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(duì)于許多低成本的應(yīng)用，OTP存儲(chǔ)器被用來(lái)取代MTP存儲(chǔ)器。

舉個(gè)例子，小容量的MTP（bit量級(jí)），可以用成本最低的otp工藝通過(guò)電路設(shè)計(jì)來(lái)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(chǎng)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