關(guān)鍵要點(diǎn)

OTP非易失性存儲(chǔ)器在安全存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、加密密鑰和程序代碼方面至關(guān)重要。

先進(jìn)技術(shù)節(jié)點(diǎn)由于氧化層更薄、器件漏電流更高，對(duì)OTP的可靠性構(gòu)成挑戰(zhàn)。

新思科技提供經(jīng)過(guò)優(yōu)化的OTP NVM IP，包含穩(wěn)健的位單元設(shè)計(jì)與必要的模擬組件，可保障運(yùn)行的可靠性。

一次性可編程（OTP）非易失性存儲(chǔ)器問(wèn)世已久。與其他非易失性存儲(chǔ)技術(shù)相比，OTP的占用面積更小，且無(wú)需額外的制造工序，因此成為存儲(chǔ)啟動(dòng)代碼、加密密鑰等內(nèi)容的熱門選擇。盡管聽(tīng)起來(lái)簡(jiǎn)單，但隨著人工智能（AI）的大規(guī)模部署和對(duì)更先進(jìn)技術(shù)的需求日益增長(zhǎng)，平衡OTP的各項(xiàng)需求變得極具挑戰(zhàn)性。

這類器件在安全存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、敏感程序代碼、產(chǎn)品信息和身份驗(yàn)證加密密鑰方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，必須可靠運(yùn)行才能保證芯片的成功量產(chǎn)，尤其是考慮到新技術(shù)成本的飆升，器件的可靠運(yùn)行至關(guān)重要。然而，先進(jìn)技術(shù)節(jié)點(diǎn)對(duì)于OTP存儲(chǔ)器的可靠運(yùn)行帶來(lái)了諸多挑戰(zhàn)。為此，需要在多方面進(jìn)行精細(xì)的平衡。值得慶幸的是，借助新思科技IP，我們能夠找到在先進(jìn)技術(shù)節(jié)點(diǎn)中平衡OTP需求的解決方案。

有何風(fēng)險(xiǎn)？

在先進(jìn)的FinFET（鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管）技術(shù)節(jié)點(diǎn)中，設(shè)計(jì)、掩模和晶圓成本急劇攀升，使得一次性流片成功變得空前重要。而IP的可靠運(yùn)行，尤其是OTP IP所支持的關(guān)鍵功能，正是通往成功的直接保障。下圖展示了先進(jìn)技術(shù)的成本增長(zhǎng)速度。

▲設(shè)計(jì)成本不斷攀升

OTP IP傳輸?shù)臄?shù)據(jù)很關(guān)鍵，能夠激活先進(jìn)AI設(shè)計(jì)的各項(xiàng)功能。由于這類數(shù)據(jù)高度敏感，因此必須確保信息的準(zhǔn)確傳輸，且絕不容許加密密鑰等信息出現(xiàn)泄露。在這些嚴(yán)苛要求之下，有諸多因素需要考量。我們來(lái)看看其中的一些因素。

成功路上的障礙

就從最基礎(chǔ)的知識(shí)說(shuō)起。對(duì)于典型的反熔絲型OTP存儲(chǔ)器而言，未編程的單元代表邏輯值0，已編程的單元代表邏輯值1。這類器件在剛制造出來(lái)時(shí)，所有單元均處于未編程狀態(tài)，因此都為邏輯0。對(duì)單元進(jìn)行編程時(shí)，需要向其施加高壓，高壓會(huì)導(dǎo)致氧化層擊穿，形成導(dǎo)電溝道或細(xì)絲，從而產(chǎn)生可測(cè)量的電流通路。

因此，讀取OTP需要測(cè)量柵極漏電流，以判斷存儲(chǔ)單元是已編程（邏輯1）還是未編程（邏輯0）。該過(guò)程需要使用高于核心供電電壓的穩(wěn)定電壓，以便在位線上獲得足夠的電流，從而可靠地讀取數(shù)據(jù)。

到目前為止，這聽(tīng)起來(lái)頗為簡(jiǎn)單。但技術(shù)的進(jìn)步使這一過(guò)程變得極具挑戰(zhàn)性。

先進(jìn)技術(shù)節(jié)點(diǎn)的氧化層更薄，因此在高于核心供電電壓的穩(wěn)壓下進(jìn)行讀取時(shí)，OTP更容易出現(xiàn)位泄漏問(wèn)題，甚至?xí)⑽淳幊痰奈徽`讀為邏輯1。同時(shí)，氧化層變薄還會(huì)給正在讀取的字線中未編程的單元帶來(lái)更大的器件應(yīng)力。

此外，先進(jìn)技術(shù)節(jié)點(diǎn)的器件漏電流更高。這意味著需要使用更高的電壓才能驅(qū)動(dòng)足夠的電流對(duì)OTP進(jìn)行編程。而這些高電壓可能會(huì)導(dǎo)致器件損壞，進(jìn)而造成編程失敗。并且，由于氧化層較薄，先進(jìn)技術(shù)節(jié)點(diǎn)的OTP更易受高電壓影響，可能出現(xiàn)過(guò)度編程。OTP過(guò)度編程會(huì)導(dǎo)致編程質(zhì)量不佳，還會(huì)使存儲(chǔ)單元不必要地過(guò)度暴露于高電壓。更糟糕的是，高電壓可能會(huì)引發(fā)編程干擾，即相鄰的非目標(biāo)單元可能被意外編程，從而導(dǎo)致其他錯(cuò)誤。

此外，還有一系列功耗、性能和面積（PPA）方面的挑戰(zhàn)需要應(yīng)對(duì)。更高的漏電流會(huì)使OTP的面積競(jìng)爭(zhēng)力難以維持，還可能限制可靠運(yùn)行時(shí)的最大位容量。同時(shí)，編程時(shí)間也會(huì)影響整體制造成本。對(duì)OTP編程需要大幅提升電壓，而先進(jìn)技術(shù)節(jié)點(diǎn)的供電電壓更低，因此可能需要更長(zhǎng)時(shí)間才能將電壓提升至足以驅(qū)動(dòng)編程電流的水平，以實(shí)現(xiàn)OTP的成功編程，這會(huì)導(dǎo)致時(shí)間和成本的增加。

平衡需求以實(shí)現(xiàn)成功的技巧

以下列出了一部分要求。

可靠的解決方案始于位單元的設(shè)計(jì)。編程時(shí)形成的細(xì)絲質(zhì)量取決于氧化層的擊穿程度，而這又與位單元面積相關(guān)。如果面積過(guò)小，擊穿氧化層、形成細(xì)絲就會(huì)變得困難，進(jìn)而導(dǎo)致編程失敗。如果面積過(guò)大，編程時(shí)氧化層可能會(huì)出現(xiàn)多處斷裂。

所有這些都可能導(dǎo)致關(guān)鍵數(shù)據(jù)讀取錯(cuò)誤。因此，必須謹(jǐn)慎選擇位單元面積，以便優(yōu)化編程時(shí)細(xì)絲的形成，避免錯(cuò)誤發(fā)生，確保編程的可靠性。

OTP的讀取和編程均依賴高壓，這些電壓由模擬集成電源（IPS）產(chǎn)生和調(diào)節(jié)。IPS的設(shè)計(jì)對(duì)OTP的正常工作至關(guān)重要，電壓的波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)保持問(wèn)題或錯(cuò)誤。

此外，在讀取時(shí)，OTP輸出的數(shù)據(jù)必須始終可靠，確保所讀取的數(shù)據(jù)的完整性至關(guān)重要。用于標(biāo)識(shí)OTP輸出“可用”的信號(hào)必不可少，這類信號(hào)能排除讀取過(guò)程中因電壓不穩(wěn)定導(dǎo)致的非預(yù)期數(shù)據(jù)損壞。

再者，先進(jìn)技術(shù)節(jié)點(diǎn)的器件漏電流較高，需要采取干預(yù)措施，不僅要保證OTP的可靠性，還要確保性能和功耗達(dá)到目標(biāo)。需要精心設(shè)計(jì)位線長(zhǎng)度和存儲(chǔ)陣列寬度，避免存儲(chǔ)器工作時(shí)出現(xiàn)過(guò)大的IR壓降。

最后，模擬設(shè)計(jì)的優(yōu)化是關(guān)鍵。例如，感測(cè)放大器必須對(duì)先進(jìn)技術(shù)節(jié)點(diǎn)特有的低電壓具有極高敏感性，以保證編程速度，編程速度會(huì)影響制造成本，需要通過(guò)高壓電路的專業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。但由于要同時(shí)滿足以下兩個(gè)相互沖突的要求，實(shí)現(xiàn)起來(lái)頗具挑戰(zhàn)性：既要盡量減小OTP的整體面積，又要確保IPS中的電荷泵能提供足夠電流以成功完成存儲(chǔ)器編程。

新思科技提供解決方案

為滿足先進(jìn)節(jié)點(diǎn)的需求，新思科技OTP NVM IP基于一個(gè)穩(wěn)健且經(jīng)過(guò)優(yōu)化的反熔絲位單元。它已通過(guò)高溫工作壽命（HTOL）測(cè)試驗(yàn)證，能夠平衡前文所述的各項(xiàng)需求。

此解決方案包含由平鋪位單元組成的存儲(chǔ)陣列、解碼器、模擬元件（如感測(cè)放大器），以及生成讀取和編程所需電壓的IPS。其選定的讀取電壓既能確保位單元讀取可靠，又能保證數(shù)據(jù)至少保存10年。

該IP通過(guò)增加額外的位來(lái)增強(qiáng)性能，以應(yīng)對(duì)隨機(jī)制造缺陷和現(xiàn)場(chǎng)故障。在初始測(cè)試期間，每個(gè)字都能糾正漏電位和/或編程失敗錯(cuò)誤。如果一個(gè)字內(nèi)出現(xiàn)多個(gè)故障，可使用額外的修復(fù)資源，必要時(shí)可替換整個(gè)字。此外，OTP存儲(chǔ)陣列還包含用于存儲(chǔ)糾錯(cuò)碼（ECC）的額外位。

該IP提供多種配置選項(xiàng)，可針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景選擇合適方案。整體解決方案還包含一個(gè)控制器，負(fù)責(zé)管理讀寫操作、測(cè)試與修復(fù)功能以及ECC編碼和解碼過(guò)程。該控制器以RTL形式作為軟IP交付，OTP存儲(chǔ)陣列和IPS集成在單個(gè)硬宏中。

此外，該方案還具備強(qiáng)大的安全功能。

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關(guān)于新思科技在OTP存儲(chǔ)器優(yōu)化實(shí)現(xiàn)方面的能力，剛才所說(shuō)的不過(guò)是冰山一角。如今，幾乎所有設(shè)計(jì)都需要某種形式的OTP來(lái)確保正常運(yùn)行。抽些時(shí)間了解新思科技如何助力開發(fā)者應(yīng)對(duì)這種平衡挑戰(zhàn)，從而在先進(jìn)技術(shù)節(jié)點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)可靠運(yùn)行，無(wú)疑是極具價(jià)值的。

有一篇內(nèi)容詳實(shí)的文章《利用先進(jìn)OTP IP打造安全可靠的SoC設(shè)計(jì)》可供參考。這些資料將提供所需信息，助力開發(fā)者理解如何借助新思科技的IP，在先進(jìn)技術(shù)節(jié)點(diǎn)中平衡OTP的各項(xiàng)需求。