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[ZZ]科普：什么是OTP？什么是MTP？

已有 17328 次阅读| 2021-8-22 21:15 |个人分类:Devices|系统分类:芯片设计| NVM, OTP, MTP

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先对文章标题做个概括，不管是OTP还是MTP，都属于NVM。

什么是NVM？

NVM，即Non-Volatile Memory，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，像 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。所以NVM的概念很大。

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

本文我们主要讨论OTP与MTP。

什么是OTP？

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等, 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，如：启动程序、加密密钥、模拟器件配置参数等。

OTP NVM 指的是只可一次编程的非易失性存储器。

随着嵌入式应用的越来越广泛，产品的安全也显得越来越重要。一方面是为了保护硬件设计，另外一方面也是为了产品本身的安全，防止被HACKED。

在嵌入式系统当中，所有的代码和系统数据都是被存储在FLASH芯片内部的。FLASH芯片的特点是可多次擦写，而且掉电数据不会丢失。为了保护FLASH中的数据，越来越多的FLASH厂商在FLASH内部提供了一种特殊的寄存器：OTP寄存器。

OTP本身并不能提供绝对安全的应用。但OTP的提供，有利于开发商开发和部署更安全的应用。如今，很多软件和硬件的保护都是基于OTP来实现的。

eFuse

1、eFuse是什么

eFuse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。

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）可以说是置于计算机芯片中的微观保险丝。

图源：MA-Tek

2、eFuse的作用

eFuse可用于存储MEM repair的存储修复数据，也可用于存储芯片的信息：如芯片可使用电源电压、芯片的版本号、生产日期。在厂家生产好die后，会进行测试，将芯片的信息写到eFuse中去。

2004年，IBM发明了eFuse, 不同于之前的可编程ROM, eFuse利用EM ( electromigration ) 效应来实现熔断。eFuse 的发明是革命性的，它不依赖于工艺，不需要新材料，不需要新工具，它结合了独特算法和新技术，在无需人工干预的情况下，可以监测并调整芯片的功能，以提高其质量、性能和功耗。

3、eFuse是如何使用的

芯片在初次上电过程中会读取eFuse中的电压字段数值，送到芯片外部的电源管理器，电源管理器在芯片初始上电前会提供一个标准的电压（假设为1.0v），在接受到eFuse中的电压字段数值后会调节电压大小。

完成电源电压调整后，芯片会重新进行上电复位操作。

4、eFuse的应用

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观察到，因此其存储的内容仍有破解之法。

因而，为顺应安全性和密度的需求，Anti-Fuse诞生。

Anti-Fuse

随着需求的增多以及技术的提升，Anti-Fuse应运而生。Anti-Fuse 由两个晶体管组成，一个是编程晶体管，另一个是读或选择晶体管，可随着工艺几何尺寸的缩小等比例缩小，因此随着Macro 尺寸变大，Antifuse 的密度可以同比例增加，其密度可以达到百兆比特级。

来源：http://archive.eettaiwan.com/www.eettaiwan.com/emag/1302_15_DC.html

eFuse VS Anti-Fuse

Anti-Fuse与eFuse的最大差别在于编程机制、安全性、功耗：

从编程机制来看：Anti-Fuse, 在薄栅氧上施加高电压，通过雪崩击穿使晶体管的栅极和源极短路来编程。eFuse, 通过使用I/O电压，向金属条或多晶硅条施加高密度电流来编程，eFuse中的低电阻金属由于高密度电流通过窄金属或多晶硅而被电迁移熔断，在编程期间，eFuse 的两端宽大比中间较窄区域有更好的冷却效果，因此，eFuse 的熔断部分始终位于eFuse 中间的窄区域。

eFuse 只能被编程一次，将对应比特的值编程为"1", 如果编程后读取的值不为"1", 则编程失败，这意味着良率下降。而Anti-Fuse 可以被编程18次左右，如果初次编程失败，则可以反复对其编程，有助于良率提升。

从安全性来看：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。

不论哪种eFuse在显微镜下都可以区别出编程位和未编程位，而Anti-Fuse 不仅在显微镜下无法窥探到编程信息，通过FIB也检测不到电压热点，这使得未经授权的用户很难获得存储在Anti-Fuse内存中的数据。

从功耗来看：与eFuse相比，Anti-Fuse在未编程状态下消耗的功耗更少。

eFuse默认导通，存储的是"1"，而Anti-fuse默认是断开，存储的是"0"，因此Anti-Fuse的功耗也较eFuse小，面积也较eFuse小。

什么是MTP？

MTP，Multiple-Time Programmable，顾名思义，与一次性可编程存储器不同，多次可编程存储器可以根据用户需要进行多次重新编程和更新。

图源网络：传统的MTP单元-电路和布局图像

EPROM、EEPROM、NAND / NOR 闪存 (Flash Memory) 等都属于MTP。

事实上，业界习惯上将MTP与EEPROM / Flash / OTP /Mask ROM并列，从应用需求角度出发，OTP是一大类；EEPROM/Flash是一大类；MTP则是小众需求，实现技术也基本基于前两大类的工艺/设计技术，做较小的调整或权衡。

MTP实现方式和OTP不一样，因此可以多次烧写，设计架构复杂，成本较大。而MTP的原理也无法一概而论，因为实现方法多种多样。

OTP的程序存储器多是采用融丝结构的。编程过程是不可逆的破坏活动。一般是把1写成0。

而MTP多是采用EEPROM或者FLASH或者别的什么。写过程也是1-0的变化。但是0在特定条件下可以变成1。如EPROM是在紫外线的照射下，形成光电荷冲入栅区。EEPROM是利用电隧道电荷注入技术。

PROM

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

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

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。

FLASH ROM

FLASH ROM属于真正的单电压芯片，在使用上很类似EEPROM，因此，有些书籍上便把FLASH ROM作为EEPROM的一种。事实上，二者还是有差别的。FLASH ROM在擦除时，也要执行专用的刷新程序，但是在删除资料时，并非以Byte为基本单位，而是以Sector（又称Block）为最小单位，Sector 的大小随厂商的不同而有所不同；只有在写入时，才以Byte为最小单位写入；FLASH ROM芯片的读和写操作都是在单电压下进行，不需跳线，只利用专用程序即可方便地修改其内容；FLASH ROM的存储容量普遍大于EEPROM，约为512K到至8M KBit，由于大批量生产，价格也比较合适，很适合用来存放程序码，近年来已逐渐取代了EEPROM，广泛用于主板的BIOS ROM。

FLASH Memory又分为NOR型和NAND型。NOR型与NAND型闪存的区别很大，NOR型闪存更像内存，有独立的地址线和数据线，但价格比较贵，容量比较小；而NAND型更像硬盘，地址线和数据线是共用的I/O线，类似硬盘的所有信息都通过一条硬盘线传送一般，而且NAND型与NOR型闪存相比，成本要低一些，而容量大得多。因此，NOR型闪存比较适合频繁随机读写的场合，通常用于存储程序代码并直接在闪存内运行，手机就是使用NOR型闪存的大户，所以手机的“内存”容量通常不大；NAND型闪存主要用来存储资料，常用的闪存产品，如闪存盘、数码存储卡都是用NAND型闪存。