深度解析 eFuse 與 Anti-Fuse：芯片世界的 “保險絲衛(wèi)士”---五千字的全方位介紹

在芯片的微觀世界里，有兩位默默守護(hù)著電路安全與數(shù)據(jù)穩(wěn)定的 “衛(wèi)士”——eFuse 和 Anti-Fuse。它們雖然名字中都帶有 “fuse”（保險絲），但在功能、特性、應(yīng)用等方面既有聯(lián)系又存在諸多差異。接下來，讓我們一同深入探究它們的奧秘。

一、eFuse 的工作原理與特性

（一）工作原理

eFuse（電子保險絲）基于一個簡潔而精妙的概念運作。它通過測量已知電阻器上的電壓來精準(zhǔn)檢測電流。當(dāng)電流如同脫韁野馬般超過預(yù)先設(shè)計的限值時，場效應(yīng)晶體管（FET）便會迅速行動，果斷切斷電流，如同在電路中設(shè)置了一道堅固的 “閘門”，防止過大電流對電路造成損害。形象地說，eFuse 就像是電路中的智能 “保安”，時刻監(jiān)控著電流的動態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)異常，立即采取行動，保障電路的安全。

（二）獨特特性

與傳統(tǒng)的熱保險絲相比，eFuse 展現(xiàn)出了諸多令人矚目的特性。它具備熱保險絲無法企及的靈活性和多樣化功能。例如，在芯片制造完成后，eFuse 可以通過電信號進(jìn)行編程操作，這一特性使得芯片在后期能夠根據(jù)實際需求進(jìn)行個性化配置。在eFuse中，短電流脈沖被應(yīng)用于熱致電子發(fā)射，這會使電流通過一個非常小的導(dǎo)線。該電流會引起電線中的材料熔斷，形成一個永久性的開路。這個過程是不可逆的，一旦eFuse被熔斷，就不能再次編程，無法實現(xiàn)這種動態(tài)的調(diào)整。

（三）在電路系統(tǒng)中的應(yīng)用

從本質(zhì)上講，eFuse 屬于一次性可編程存儲器。CPU 出廠時，其 eFuse 空間內(nèi)所有比特都被初始化為 “1”。一旦向其中某一位比特寫入 “0”，就如同將這一比特對應(yīng)的 “保險絲” 熔斷，該比特的值便永久固定為 “0”，再也無法恢復(fù)到 “1”。這種不可逆的編程特性，使得 eFuse 在眾多場景中找到了用武之地。

原始設(shè)備制造商（OEM）從 CPU 廠商采購芯片后，常常會利用 eFuse 燒寫特定信息。這些信息包括公司的版本標(biāo)識、芯片的運行模式等關(guān)鍵信息。通過燒寫 eFuse，OEM 可以對芯片進(jìn)行定制化標(biāo)記，使其符合自身產(chǎn)品的需求。同時，由于 eFuse 的一次性編程特性，它在 Secure Boot 安全啟動機制中扮演著至關(guān)重要的角色。在安全啟動過程中，系統(tǒng)會讀取 eFuse 中存儲的特定信息，以此來驗證芯片的合法性和完整性，防止惡意軟件或非法操作篡改芯片啟動程序，為芯片的安全運行筑牢第一道防線。

二、OTP：理解 eFuse 與 Anti - Fuse 的關(guān)鍵紐帶

（一）NVM 的廣泛范疇

在深入了解 eFuse 和 Anti - Fuse 之前，我們需要先認(rèn)識一個重要的概念 ——NVM（Non - Volatile Memory，非易失性存儲器）。NVM 的特點是存儲的數(shù)據(jù)不會因為電源的關(guān)閉而消失，就如同一個堅固的 “數(shù)據(jù)倉庫”，無論外界電力如何變化，其中的數(shù)據(jù)都能得以保存。像我們常見的 Mask ROM、PROM、EPROM、EEPROM、NAND / NOR 閃存（Flash Memory）等傳統(tǒng) NVM，以及目前正在研發(fā)的新型態(tài)存儲器，如磁性存儲器（MRAM）、阻變存儲器（RRAM）、相變存儲器（PRAM）、鐵電存儲器（FeRAM）等等，都屬于 NVM 的大家庭。這個大家庭成員眾多，功能各異，共同滿足著不同場景下對數(shù)據(jù)存儲的需求。

（二）NVM 的可編程次數(shù)分類

從可編程次數(shù)的角度來看，NVM 可以清晰地分為三類：

1. MTP（Multiple-Time Programmable），即可以多次編程的存儲器。這類存儲器就像一本可以反復(fù)修改的筆記本，用戶可以根據(jù)需要多次寫入和擦除數(shù)據(jù)，具有很高的靈活性，適用于需要頻繁更新數(shù)據(jù)的場景。
2. FTP（Few-Time Programmable），可編程次數(shù)有限的存儲器。它介于 MTP 和 OTP 之間，雖然不像 MTP 那樣可以無限制地多次編程，但相比于 OTP 又具有一定的可重復(fù)性，在一些對數(shù)據(jù)更新頻率有一定要求，但又不需要過于頻繁操作的場景中有著獨特的應(yīng)用價值。OTP（One-Time Programmable），只允許編程一次的存儲器。
3. ?一旦對其進(jìn)行編程，數(shù)據(jù)就會永久有效，如同在一塊石碑上刻下的文字，無法輕易更改。OTP 并非特指某一種具體的存儲器，而是代表了一種編程特性。eFuse 和 Anti - Fuse 都屬于具有 OTP 特性的存儲器，這也是它們的一個重要共性。

三、OTP 存儲器的分類：eFuse 與 Anti - Fuse

（一）eFuse：芯片中的微觀保險絲

在計算機技術(shù)領(lǐng)域，eFuse 是安置于計算機芯片中的微觀保險絲。這項技術(shù)由 IBM 在 2004 年發(fā)明，它的出現(xiàn)為芯片的動態(tài)實時重新編程帶來了革命性的變化。以往，計算機邏輯通常被 “蝕刻” 或 “硬連線” 到芯片上，在芯片制造完成后就無法更改，如同建筑完成后難以對內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行大規(guī)模改動。而 eFuse 的誕生改變了這一局面，芯片制造商可以在芯片上的電路運行時對其進(jìn)行更改，為芯片的后期優(yōu)化和個性化定制提供了可能。

eFuse 可以采用硅或金屬材料制成，其工作原理基于電遷移現(xiàn)象。簡單來說，電遷移就是電流導(dǎo)致導(dǎo)體材料移動的一種物理現(xiàn)象。在 eFuse 編程過程中，當(dāng)有電流通過時，導(dǎo)體材料會發(fā)生移動，隨著時間的推移，編程期間產(chǎn)生的 “熔絲碎屑” 可能會反向生長。這種反向生長可能會導(dǎo)致原本因電遷移而斷開的金屬線再次連接，從而改變了原本要存儲的數(shù)據(jù)，引發(fā)錯誤行為。這一特性也限制了 eFuse 的可讀次數(shù)，就像一本被反復(fù)涂改的書，隨著涂改次數(shù)的增加，字跡會變得模糊不清，可讀性逐漸降低。

（二）Anti - Fuse：功能相反的電氣裝置

Anti - Fuse（反熔絲）是一種功能與傳統(tǒng)保險絲截然不同的電氣裝置。傳統(tǒng)保險絲在正常情況下處于低電阻導(dǎo)通狀態(tài)，當(dāng)電流過大時，保險絲熔斷，切斷電路，以保護(hù)電路中的其他元件。而 Anti - Fuse 則恰恰相反，它在默認(rèn)狀態(tài)下處于高電阻不導(dǎo)通狀態(tài)，就像一條被阻斷的道路。當(dāng)施加較大的電壓時，Anti - Fuse 會發(fā)生物理變化，轉(zhuǎn)變?yōu)橛谰眯詫?dǎo)電路徑，如同在阻斷的道路上開辟了一條新的通道，使得電流能夠順利通過。

（三）eFuse 與 Anti - Fuse 的區(qū)別

器件面積

1. 從器件面積方面比較，eFuse 的 cell（單元）面積相對較大。這就意味著在有限的芯片空間內(nèi)，若要使用 eFuse 構(gòu)建大容量的存儲單元，會面臨諸多限制，因此通常只有小容量的 eFuse 器件可供選擇。當(dāng)然，如果確實需要大容量的 eFuse 存儲，也可以通過多個 eFuse Macro（宏單元）拼接的方式來實現(xiàn)，但這無疑會增加芯片的面積，進(jìn)而導(dǎo)致成本上升。而 Anti-Fuse 的 cell 面積非常小，這一優(yōu)勢使得它能夠提供更大容量的 Macro，在對存儲容量有較高要求的場景中具有明顯的競爭力。

功耗

1. 在功耗方面，eFuse 和 Anti - Fuse 也表現(xiàn)出不同的特性。未編程的 eFuse 典型電阻值大約在 50 到 100 歐姆之間，而編程后的 eFuse 典型電阻值則在 10Kohms 到 100Kohms 范圍。與之相反，Anti - Fuse 在未編程狀態(tài)下電阻較高，編程后電阻較低。在實際使用中，不論是 eFuse 還是 Anti - Fuse，未編程位的默認(rèn)值都是 “0”。對于 eFuse 來說，存儲的 “0” 越多，意味著有更多未編程的 eFuse 處于低電阻狀態(tài)，從而導(dǎo)致功耗增大；而對于 Anti - Fuse，存儲的 “0” 越多，由于其未編程時高電阻的特性，功耗反而越小。此外，eFuse 的靜態(tài)功耗要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于 Anti - Fuse，這在一些對功耗要求極為嚴(yán)格的應(yīng)用場景中，如電池供電的移動設(shè)備等，是一個需要重點考慮的因素。

安全性

1. 安全性是 eFuse 和 Anti - Fuse 的一個重要區(qū)別點。Anti - Fuse 在安全性方面表現(xiàn)出色，具有很強的保密性。在顯微鏡下，幾乎無法區(qū)分 Anti - Fuse 的編程位和未編程位，這使得通過物理手段讀取其編程數(shù)據(jù)變得極為困難。即使采用聚焦離子束（FIB）等先進(jìn)技術(shù)，也難以檢測到電壓熱點，進(jìn)一步增加了破解其存儲數(shù)據(jù)的難度。相比之下，eFuse 在顯微鏡下可以較為清晰地區(qū)別出編程位和未編程位。在多晶硅柵 CMOS 工藝中，多晶硅 eFuse 應(yīng)用廣泛，其電遷移現(xiàn)象發(fā)生在硅化物層。然而，在采用 high - k 材料做金屬柵極（HKMG）的 MOSFET 工藝中，由于沒有多晶硅層可用作 eFuse，只能改用金屬層作 eFuse。但無論是哪種 eFuse，其在物理特征上的可區(qū)分性都使得它在面對惡意窺探時，安全性相對較弱，未經(jīng)授權(quán)的用戶更容易嘗試獲取存儲在其中的數(shù)據(jù)。

編程機制

1. 二者的編程機制也存在顯著差異。Anti - Fuse 的編程過程是在薄柵氧上施加高電壓，利用雪崩擊穿的原理使晶體管的柵極和源極短路，從而實現(xiàn)編程。而 eFuse 則是通過 I/O 電壓，向金屬條或多晶硅條施加高密度電流來進(jìn)行編程。在這個過程中，eFuse 中的低電阻金屬由于高密度電流通過窄金屬或多晶硅，會發(fā)生電遷移現(xiàn)象，最終導(dǎo)致金屬熔斷。值得注意的是，eFuse 在編程時，其兩端由于散熱條件較好，相比中間較窄區(qū)域能夠更好地冷卻，所以熔斷部分通常會出現(xiàn)在 eFuse 中間的窄區(qū)域。此外，eFuse 編程一比特，需要一對 eFuse 協(xié)同工作，其中一個用于編程，另一個作為差分放大器讀取參考電阻。并且，eFuse 只能被編程一次，若編程后讀取的值不是預(yù)期的 “1”，則意味著編程失敗，這會直接影響芯片的良率。反觀 Anti - Fuse，它具有較高的編程靈活性，可以被編程約 18 次左右。如果初次編程失敗，還可以反復(fù)嘗試編程，這種特性有助于提高芯片制造過程中的良率，降低生產(chǎn)成本。

（四）存儲原理和壽命

eFuse 的存儲原理和壽命

1. eFuse 的存儲原理是通過將金屬線熔斷形成小孔，以此來存儲數(shù)據(jù)。這種方式使得數(shù)據(jù)存儲具有不可逆性，一旦金屬線熔斷，數(shù)據(jù)就被固定下來。同時，由于其物理結(jié)構(gòu)和制造工藝的限制，eFuse 的內(nèi)存容量通常比較小，一般在 512 位以下。這就好比一個空間有限的小倉庫，只能存放少量的物品。而且，隨著使用過程中電遷移等現(xiàn)象的不斷發(fā)生，eFuse 的性能會逐漸下降，其可讀次數(shù)也受到限制，從而影響了它的使用壽命。

Anti - Fuse 的存儲原理和壽命

Anti - Fuse 采用快速電子束技術(shù)在晶體管柵極中制造永久的浮動門來實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲。與 eFuse 不同，這種存儲方式使得數(shù)據(jù)存儲在一定程度上具有可逆性，并且能夠?qū)崿F(xiàn)較大的存儲容量，通常可以達(dá)到數(shù) MB 以上，如同一個寬敞的大倉庫，可以容納大量的數(shù)據(jù)。此外，由于其存儲原理和物理結(jié)構(gòu)的特點，Anti - Fuse 在穩(wěn)定性方面表現(xiàn)較好，能夠在較長時間內(nèi)保持?jǐn)?shù)據(jù)的完整性，具有相對較長的使用壽命。

四、eFuse 和 Anti - Fuse 在芯片設(shè)計中的應(yīng)用

（一）eFuse 在芯片設(shè)計中的應(yīng)用

設(shè)備標(biāo)識符和唯一序列號

1. 在芯片設(shè)計中，eFuse 可以用于存儲芯片的設(shè)備 ID 和唯一序列號。這就如同給每一個芯片賦予了一個獨一無二的 “身份證號碼”，通過這個號碼，設(shè)備在各種系統(tǒng)中能夠被準(zhǔn)確地識別和區(qū)分。在大規(guī)模的設(shè)備管理和統(tǒng)計中，這種唯一性標(biāo)識非常重要，它方便了生產(chǎn)廠商對產(chǎn)品進(jìn)行跟蹤和管理，也有助于用戶在使用設(shè)備時進(jìn)行準(zhǔn)確的識別和配置。

版權(quán)保護(hù)

1. eFuse 還可以存儲版權(quán)保護(hù)密鑰，為芯片上的代碼和文檔提供安全保障。在當(dāng)今數(shù)字化時代，知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)至關(guān)重要，芯片作為眾多電子產(chǎn)品的核心，其中存儲的代碼和數(shù)據(jù)往往包含了大量的知識產(chǎn)權(quán)。通過將版權(quán)保護(hù)密鑰存儲在 eFuse 中，可以有效地防止未經(jīng)授權(quán)的復(fù)制和使用，保護(hù)芯片制造商和軟件開發(fā)者的合法權(quán)益。

提高安全性

存儲安全密鑰、密碼等關(guān)鍵信息是 eFuse 在提高芯片安全性方面的重要應(yīng)用。在面對日益猖獗的黑客攻擊和惡意軟件威脅時，芯片的安全性顯得尤為重要。eFuse 將這些關(guān)鍵信息存儲在一個相對安全的區(qū)域，只有通過特定的授權(quán)方式才能訪問，大大增加了芯片的安全性，降低了被黑客攻擊的風(fēng)險，保護(hù)了設(shè)備和用戶的數(shù)據(jù)安全。

（二）Anti - Fuse 在芯片設(shè)計中的應(yīng)用

生產(chǎn)流水線

1. 在生產(chǎn)流水線中，Anti - Fuse OTP 發(fā)揮著重要的作用。通過在其中存儲產(chǎn)品序列號、生產(chǎn)日期等關(guān)鍵信息，生產(chǎn)商可以對產(chǎn)品的生產(chǎn)過程進(jìn)行全程跟蹤。從原材料的采購、零部件的加工，到最終產(chǎn)品的組裝和檢測，每一個環(huán)節(jié)都可以通過這些存儲在 Anti - Fuse OTP 中的信息進(jìn)行追溯。這有助于提高生產(chǎn)效率，保證產(chǎn)品質(zhì)量，同時也方便了對產(chǎn)品的售后服務(wù)和召回管理。

啟動代碼

1. 將啟動代碼存儲在 Anti - Fuse OTP 中，可以確保代碼的安全性和完整性。在芯片啟動過程中，啟動代碼的正確執(zhí)行是設(shè)備正常運行的關(guān)鍵。由于 Anti - Fuse 的高安全性和穩(wěn)定性，存儲在其中的啟動代碼可以有效防止被攻擊或篡改，為芯片的啟動提供了可靠的保障，確保設(shè)備能夠按照預(yù)定的程序正常啟動和運行。

加密密鑰

存儲加密密鑰等關(guān)鍵信息也是 Anti - Fuse OTP 的重要應(yīng)用之一。在數(shù)據(jù)傳輸和存儲過程中，加密技術(shù)是保護(hù)數(shù)據(jù)安全的重要手段。而加密密鑰作為加密和解密的關(guān)鍵，其安全性至關(guān)重要。Anti - Fuse OTP 的高安全性特性使得它成為存儲加密密鑰的理想選擇，能夠有效地保護(hù)設(shè)備中的敏感數(shù)據(jù)，防止數(shù)據(jù)被竊取或篡改，保障用戶的隱私和數(shù)據(jù)安全。

eFuse 和 Anti - Fuse 作為芯片世界中具有 OTP 特性的重要組成部分，它們各自獨特的工作原理、特性和應(yīng)用場景，為芯片設(shè)計和電子設(shè)備的發(fā)展提供了多樣化的選擇。在未來的芯片技術(shù)發(fā)展中，隨著工藝的不斷進(jìn)步和應(yīng)用需求的日益增長，eFuse 和 Anti - Fuse 有望在更多領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用，為推動電子信息技術(shù)的發(fā)展貢獻(xiàn)力量。