关于eFuse非易失性存储器的模块分析、可编程（OTP NVM）解析
- 1 基本概况及介绍
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- 1.1 相关简介
- 1.2 关于eFuse工作原理
- 2 应用功能总结
- 3 关于eFuse解析
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- 3.1 基本介绍
- 3.2 相关信号
- 3.3 eFuse操作模式
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- 3.3.1 编程模式（Program Mode）
- 3.3.2 读取模式（Read Mode）
- 3.3.3 非活动模式（Inactivate Mode）
1 基本概况及介绍
??与大多数不同FPGA使用的SRAM阵列，eFuse一次只能编程一根熔丝，这就是该方法配置能力有限的原因。但当内置自测越来越成熟时(BIST)当发动机组合使用时，熔丝成为降低测试和自修复成本的强大工具，这是复杂芯片设计面临的重大挑战。 ?? eFuse就像在硅片上建立了无数的交通岗哨，控制信号的传输或停止，这将提高芯片中电路的运行效率数千倍。例如，如果你买了一个新的控制器，控制器的功能一开始是空的，但在把它带回家后，它重新识别了你家里的所有系统，电视，音频，DVD，并自动改造自己来控制这些电器。
1.1 相关简介
?? ??所谓非易失性存储器NVM 存储的数据不会因电源关闭而消失。比如Mask ROM、PROM、EPROM、EEPROM、NAND / NOR 闪存 (Flash Memory) 等传统 NVM，目前正在开发的许多新型态存储器，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概念设计范围很广。 <font color= > ??从可编程次数来看，NVM可以分为3类： ? MTP：Multiple-Time Programmable，可多次编程 ? FTP：Few-Time Programmable，编程次数有限 ? OTP：One-Time Programmable，只允许编程一次，一旦编程，数据将永久有效。 ??其实我们常说的OTP（One-Time Programmable）指可编程的数量，代表可编程存储器的存储单元，而不是特定的存储器。 ?? ??Mask ROM是掩模只读存储器，Mask也叫光罩，所以也叫光罩只读存储器。它是通过掩模工艺一次性制造的，代码和数据将永久保存(除非坏了)，不能修改，属于不可编程ROM.PROM（Programmable Read Only Memory）与传统相比，可编程只读存储器ROM，制造过程中没有写入数据，而是在制造完成后通过PROM programmer写入的。PROM 中的每个bit 由熔丝 ( fuse ) 或反熔丝 ( antifuse ) 根据不同的技术，可以在晶圆、测试或系统级编程。PROM 中的每个bit 由熔丝 ( fuse ) 或反熔丝 ( antifuse ) 锁定不同的技术，锁定可以在晶圆、测试或系统级编程。PROM所有的位置都是 1”。在编程过程中烧断熔丝的位置（Burning a fuse bit）会把这个位置读成 0”。制造后，存储器可以熔断保险丝（blowing the fuses）编程是一个不可逆转的过程。典型的PROM它是一种双极熔丝结构。如果你想重写某些单元，你可以给这些单元足够大的电流，并保持一定的时间。（fuse）熔断可以达到改写某些位置的效果。另一类经典PROM使用肖特基二极管PROM，出厂时，二极管处于反向截止状态，反向电压采用大电流法加入肖特基二极管，导致其永久性击穿。EPROM（Erasable Programmable Read-Only Memory）可擦写可编程只读存储器。其特点是可擦除功能，擦除后可重新编程，但缺点是需要紫外线照射一定时间。EEPROM（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory）电可擦除可编程只读存储器。它最大的特点是可以直接用电信号擦除，也可以用电信号写入。 ?? ??针对OTP NVM主要有两种存储器eFuse 和Anti-Fuse。fuse是保险丝·、在计算机技术中，熔丝的含义，eFuse（electric-fuse，电子保险丝)是计算机芯片中的微观保险丝。该技术是IBM2004年发明的芯片可以动态实时重新编程。一般来说，计算机逻辑通常被蚀刻或硬连接(etched” or “hard-wired)在芯片上，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，非易失性存储器的特殊类型 ( non-volatile memory ), 只允许『编程』一次，一旦编程，数据，『永久』有效。相较于MTP (multi-time programmable ) 如EEPROM, OTP 面积小，不需要额外的制造步骤，因此广泛应用于low-cost 芯片中，OTP 常用于存储可靠和可重复读取的数据。 ??eFuse电子保险丝可以由硅或金属制成，它们都通过电迁移工作，即电流导致导体材料移动。随着时间的推移，编程过程中产生的熔丝碎片会反向生长，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，从而改变原始存储的数据，导致错误的行为。这一特性限制了eFuse 可读次数。 ??Anti-Fuse（反熔丝）是一种与保险丝相反的电气装置。保险丝从低电阻开始，默认为导电状态，当电流充满较大时切断电路。反熔丝从高电阻开始，默认为无导电状态，当电压较大时，可转换为永久导电路径。 ??Anti-fuse 比eFuse 安全性更好，eFuse电子显微镜可以看到编程位置，因此存储的内容很容易破解，但是Anti-fuse编程位和未编程位在显微镜下无法区分，因此无法读取数据。 ??传统eFuse随着工艺几何尺寸的缩小，熔丝由多晶硅栅极层制成High-K 材料的使用，现在eFuse熔丝由金属制成，编程过程中随着时间的推移而产生『熔丝碎屑』会反向生长，这限制了eFuse可读次数。eFuse其形状与领结相似，中心为窄金属条，较大的端头用于通孔与散热器的连接，受此形状的限制，随着晶体管尺寸的减小，eFuse 尺寸不能按比例减小，所以随着Macro 尺寸变大，eFuse 密度不能同比增加，很少超过4KB。 ??在芯片完成后，计算机逻辑通常是蚀刻或硬编码到芯片。通过使用eFuse芯片制造商可以允许芯片上的电路在运行过程中发生变化。该技术的主要应用还主要是为了芯片的性能调优。如果芯片有局部问题，如存储问题，或需要太长时间来响应，或消耗太多的电力，那么芯片可以通过blowing”一个eFUSE立即改变其行为，确保其他功能不受影响。
2 应用功能总结
??eFuse从模拟器件的调整、校准、修复到系统软件的现场更新，广泛应用于安全领域，但由于eFuse的『编程结点』它可以通过电子显微镜看到，因此存储的内容很容易破解。efuse类似于EEPROM，在一个芯片中，它是一次性可编程存储器，在芯片出现写入信息，efuse容量通常很小，但是EFuse支持反复写入，但不能再写到总空间。 ??简单就 eFuse功能 总结介绍如下： ??（1）Efuse广泛使用的最重要原因之一是能够修复有缺陷的芯片，在修复过程中不需要外部干预。考虑到芯片的生产成本，最重要的是芯片生产的良率。如果生产缺陷芯片，无法修复，处理结果只能报废。这种处理方法在很大程度上增加了芯片的成本。Efuse技术的出现，即通过改变电路的某些电压，或特别关闭某些功能模块，即使芯片有缺陷，芯片仍然可以实现某些功能。这样，即使生产的芯片有缺陷，通过Efuse技术发现错误，修复错误，使芯片仍能正常使用，因此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，找到芯片容易出错的地方将有助于未来芯片的改进。以前的熔丝是单排的，只能编程一次。随着技术的改进，现在Efuse采用多排阵列，实现fuse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。 Mode 编程使能 PGMEN 读取使能 RDEN 模拟电源 （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（23）个列信号，低6位可产生64（26）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。