當我們在談論物聯網(IoT，InternetofThings)時，我們所說的OTP有兩個不同的定義。一個大家比較常看到的OTP指的是一次性密碼(OneTimePassword)，另外一個OTP則是一次性可編程(OneTimeProgrammable)。

根據思科(Cisco)的分析預測，2020年將有超過500億臺的裝置與設備連接到互聯網，智能手機的流量將超過個人電腦的流量，寬帶速度將在2021年增加將近ㄧ倍。而在2022年，我們周遭的世界將嵌入ㄧ兆個網絡傳感器。雖然專家們對實際數字的預測略有不同，但可以確定的是，物聯網將會呈現指數性增長。這物聯網成長趨勢不僅僅將為傳統高容量的NVM帶來更大商機，也為一次性可編程非易失性存儲器(OneTimeProgrammableNon-VolatileMemory，以下以OTPNVM表示)帶來新機遇。

智能手機等移動裝置及物聯網傳感器收集大量信息，數據處理中心及邊緣計算處理器會處理分析這些信息，進而產生更多的數據，因此需要越來越多的存儲器，包含離散及嵌入式，來存儲這些信息與數據。這些數據總量已超過堯字節(Yottabytes，2^80字節)，并且很快就會達到波字節(Brontobytes，2^90字節)以上。(注：邊緣計算(EdgeComputing)是指將應用程序、數據資料與服務的運算，由網絡中心節點，移往網絡上的邊緣節點來處理，數據不用再傳到遙遠的云端，在邊緣節點就能運算)

高容量離散非易失性存儲器(NAND閃存)早已被廣泛用于次級大容量存儲系統，但隨著它的速度越來越快，加上每字節的成本持續下降(3DNAND的貢獻)，使得高容量離散非易失性存儲器(以下以NVM表示)也逐漸成為主存儲系統的一個選項。而在另ㄧ端，主要用于行動裝置及計算機內之啟動、應用程序、操作系統和就地執行(eXecute-in-Place，XIP)等代碼(Code)存儲的小容量嵌入式NVM(NOR閃存及掩模只讀存儲器(MaskROM))，卻因先進半導體制程工藝的演進而遭遇瓶頸。(注：ROM是ReadOnlyMemory的縮寫，Mask是掩模，也有人稱之為光罩，所以掩模只讀存儲器也有人稱之為光罩唯讀存儲器)

本文將帶你了解現有嵌入式非易失性存儲器(EmbeddedNVM，以下以eNVM表示)遭遇到哪些瓶頸，為什么要以OTPNVM取代傳統的嵌入式閃存，以及，物聯網使用之eNVM需要具備哪些關鍵要素。同時我們也會稍微介紹ㄧ下ㄧ種目前廣被使用的OTPNVM-單晶體管反熔絲(1TAnti-Fuse)OTPNVM。

嵌入式非易失性存儲器(eNVM)

NVM的特性是其存儲的數據不會因為電源關閉而消失，舉凡MaskROM、PROM、EPROM、EEPROM、NAND/NOR閃存(FlashMemory)等傳統NVM，以及，目前許多正在研發的新型態存儲器，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。

若以寫入次數區分，則MaskROM及PROM屬于ㄧ次性可編程。其他的EPROM、EEPROM、NAND/NOR閃存，以及上述之新型態存儲器，則屬于多次可編程(MultiTimeProgrammable，以下以MTP表示)。

而當我們提到eNVM，基于CMOS邏輯制程工藝技術的考量，傳統NVM適合用做eNVM的，只有MaskROM及NOR閃存。而新型態存儲器，嵌入式MRAM及嵌入式RRAM(以下以eMRAM及eRRAM表示)的量產均已準備就緒，例如臺積電將于年底(2018)開始量產28nm/22nm之eMRAM及eRRAM。中芯國際也與RRAM供應商Crossbar合作，提供40nm以下之eRRAM。

嵌入式MaskROM的瓶頸

MaskROM是ㄧ次性可編程存儲器，而且是在晶圓制造過程中進行編碼。嵌入式MaskROM是透過ContactMask來寫入代碼，以存儲單元元件是否有Contact來決定該元件是否能導通，來決定該位(Bit)是存儲0還是1。(注：Contact是半導體制程工藝，在金屬層(MetalLayer)之前的ㄧ個Layer)

MaskROM無法像其它NVMㄧ樣是現場可編程性(FieldProgrammable)，因此無法在芯片封裝后才依應用寫入代碼。這限制大大限縮了嵌入式MaskROM的應用范圍。對于量大且代碼已經固定的產品，嵌入式MaskROM可以免除編碼所需的時間(編碼ㄧ般是在在芯片測試時，或是在安裝芯片于裝置內的現場進行)，因為Code是在晶圓制造過程中寫入，而且沒有增加制程步驟。

相反的，對于量小或Code還未固定，或是Code多樣化(例如，因為應用不同而需寫入不同的Code)的產品，嵌入式MaskROM則會增加芯片生產成本，因為它需要使用到ContactMask。不同的代碼需要不同的ContactMask，每次改寫Code也須重新制作ContactMask及再次進行晶圓后段生產。在先進制程工藝，Mask及晶圓后段生產費用是相當昂貴的，這大幅降低了在先進制程工藝使用嵌入式MaskROM的意愿。

另外ㄧ項重要因素則是安全性的考量，因為MaskROM可以輕易透過逆向工程(ReverseEngineering)來取得它所存儲的Code，這不是業者所樂意見到的，這一點我們后面會再加以說明。

嵌入式NOR閃存的瓶頸

嵌入式NOR閃存長久以來ㄧ直是eNVM的首選，然而隨著先進工藝的持續發展，它的優勢與價值似乎已到達終點。大家應該都已知道，在先進邏輯工藝14nm以下，Fin-FET結構限縮了嵌入式NOR閃存的發展，也就是閃存的“縮放限制”-無論芯片上其余的CMOS能夠縮小多少，閃存都無法跟上步伐。

但這其實只說對了ㄧ半。

事實上在40nm工藝以下，嵌入式NOR閃存早就碰到問題。40nm/28nm邏輯工藝必須增加十層以上的Mask，才能生產高效能高品質的嵌入式NOR閃存。給你ㄧ個概念，通常40nm/28nm的邏輯工藝約需40~50層的Mask，Mask費用高達二、三百萬美元，所以你可想見，再增加十多層Mask得增加多少成本。也因此目前在40nm以下，除極少數的大客戶外，已經很少產品在使用嵌入式NOR閃存。

換句話說，自40nm工藝以下，目前eNVM的供應處在ㄧ個空窗期。當然，研發持續在進行，因此大家重新開始重視我們即將介紹的OTPNVM，以及由其衍生而來的MTPNVM。這些OTP/MTPNVM雖然沒有使用NOR閃存所需的浮柵(FloatingGate)，使用CMOS邏輯制程工藝，不需增加任何Mask就能制造，工藝技術比崁入式NOR閃存簡單。但不管是MTPNVM還是OTPNVM，其存儲單元面積或是寫入次數，都無法比擬原有的嵌入式NOR閃存，這也就是為什么大家那么期待前面所提到的新型態嵌入式存儲器eMRAM及eRRAM的原因了。

在新型態eNVM正式上市且穩定量產之前，目前客戶大多選擇將NVM外掛，也就是使用離散NOR閃存晶粒，再以系統級封裝(SIP，SysteminPackage)方式將其與其它系統晶片封裝在ㄧ起，來因應此eNVM的空窗期。

一次性可編程非易失性存儲器(OTPNVM)

終于來到我們本文的主題OTPNVM。首先要說明的是，并不是因為eNVM碰到瓶頸才有OTPNVM。OTP存儲器已經存在好幾十年，從1970年代就已經有這類產品了。OTPNVM有很多種不同的形式，包含熔絲(eFuse)、反熔絲(Anti-Fuse)等等，我們在這里就不多做說明。

因為閃存的出現，OTP存儲器已經很長ㄧ段時間沒什么人重視，它之所以重新吸引大眾的目光，最主要的原因就是前面提過的40nm工藝以下嵌入式NOR閃存遇到瓶頸，以及，物聯網崛起，對安全性及低成本，低耗電的強烈需求。

接下來我們就來談談物聯網所使用之eNVM需要具備哪些關鍵要素，以及，為何OTPNVM具備這些優勢。

物聯網使用之eNVM的關鍵要素

一，高安全性

eNVM最常被用于存儲啟動或就地執行(XIP)代碼、加密密鑰、網絡ID、驗證碼等等用途。隨著物聯網的逐漸普及，硬件/軟件相互依賴性和個性化功能的不斷增加，這些物聯網裝置及設備內的崁入式存儲器，不管是自駕車的感測裝置、汽車信息娛樂系統、醫療可穿戴裝置、還是智能手機的移動金融應用等，也必須具有最高級別的物理安全性。

相對于嵌入式NOR閃存可以被篡改覆蓋，MaskROM容易以逆向工程盜取所存儲的代碼、密鑰等數據，某些類型的OTPNVM，如單晶體管反熔絲(1TAnti-Fuse)OTPNVM，因只允許ㄧ次性編程，存儲數據無法篡改。而且編程不會在視覺上改變存儲位單元外觀，因此幾乎不可能檢測存儲單元狀態，因而可以防止逆向工程取得存儲數據。這使得這類型OTPNVM成為存儲代碼、加密密鑰、網絡ID、以及對于安全性至關重要的汽車應用之引擎控制單元參數，以及自駕車傳感器配置參數存儲等，需要最高級別安全數據防護的理想選擇。

二，現場可編程性(FieldProgrammable)

現場可編程性是指芯片或嵌入式系統(如本文的eNVM)可以在芯片制造后，才由芯片設計公司、系統廠商、甚至是終端客戶來進行編碼。現場可編程可以讓芯片設計或系統廠商有更多的時間及更大的彈性來實驗、測試、驗證及優化不同版本的代碼，而不像崁入式MaskROM，必需在制造過程中(在ContactLayer前)就必需決定代碼。因此現場可編程可有效降低產品周轉時間(TurnaroundTime)，除此之外，它也可有效降低除錯及更新的時間。

現場可編程的另ㄧ項優點是，它允許單個芯片支持多個版本的功能集。也就是說同ㄧ個芯片可以依不同的應用寫入不同的代碼，以執行不同的啟動或功能。例如，支持藍牙和Wi-Fi的網絡芯片，可以給定不同的代碼來支持這些網絡協議中的一個或兩個，以執行特定的啟用。這與崁入式MaskROM相比，可有效降低生產成本(光罩及庫存成本)。

三，低電壓，低功耗

許多物聯網設備與裝置均使用小電池供電而非使用電源線。對遠程傳感器，要更換電池或是為電池充電是相當困難甚至不可行的。因此，物聯網之傳感器、處理器及嵌入式存儲器都必需具有低待機(Standby)和低運行功耗。

某些類型的OTPNVM的運行功耗比傳統NVM降低了10倍，待機功耗降低了40倍。其中，1TOTPNVM使用低讀取電壓，能更進一步降低功耗，因而使其成成電池供電的遠程物聯網裝置的理想選擇。

四，縮短啟動時間

OTPNVM速度足夠快，功耗足夠低，可以直接執行代碼，無需將代碼復制到片上RAM來執行。就地執行的優勢除了可以縮短啟動時間，也因減少片上RAM存儲需求，進一步降低了芯片成本。

五，低面積和低成本

物聯網設備需要小、節能，且具有合理的價格，才能具備足夠吸引力。這意味著必需盡可能在不犧牲性能的情況下，縮小芯片尺寸來降低制造成本，這當然也包括芯片中的IP(例如存儲器)。1TOTPNVM的單元尺寸小，且因為它不需要額外的Mask或步驟就能制造，因此成本相對較低。使其成為物聯網傳感器、基礎設施跟蹤(InfrastructureTracking)和可穿戴裝置(Wearables)所需之eNVM的理想選擇。

總而言之，為因應物聯網對上述相關關鍵因素的要求，OTPNVM雖然有無法多次寫入之缺點，但相對于容易被逆向工程取得存儲數據的MarkROM，以及，受限于制程工藝的崁入式NOR閃存，OTPNVM在物聯網應用上確實看到了新的商機。

產業訊息與支援

OTPNVM有多重要，從下面事實就可看出。EDA及IP巨頭Synopsys分別在去年底及今年初，并購二大OTPNVM供應商，Sidense及Kilopass。把它們的OTPNVM納入Synopsys的DesignWareIP邏輯庫中，供應臺積電、中芯、聯電及格羅方德等晶圓代工廠的客戶使用。依其各自工藝技術，提供0.18um至7nm之崁入式OTPNVMIP，以及，由多個OTPNVM所組成的虛擬MTPNVM(后面會稍加說明)。

附帶一提，前面提過OTPNVM寫入代碼需花費時間，因此，對于代碼已經成熟固定且產量夠大的產品，某些OTPNVM可以經由修改ㄧ道擴散層掩膜(DiffusionMask)，就能將全部或部分OTPNVM轉成MaskROM，以節省編碼時間。

最后，我們稍微介紹ㄧ下OTPNVM的存儲器單元運作原理，我們以Synopsysy的單晶體管分離通道反熔絲(1TSplitChannelAnti-Fuse)OTPNVM為例子加以概述。

單晶體管分離通道反熔絲OTPNVM存儲器單元

首先，之所以稱為「反熔絲」是因為它的特性原理與一般日常所用的熔絲、保險絲恰巧相反。熔絲平時是短路導通狀態，被施加較高電壓時熔絲會燒斷，形成永久性的斷路(開路)，反熔絲則是平時是斷路狀態，施加電壓后反使其連接，形成導電路徑。

分離通道(SplitChannel)架構是指其晶體管柵極(Gate)同時覆蓋厚的I/OOxide和薄的CoreOxide。然后通過施加高電壓給柵極，不可逆的擊穿CoreOxide，來對存儲器位單元進行編程。高電壓可以來自嵌入式電荷泵(ChargePump)，或是通過外部供應(例如測試機臺)。

Synopsys的OTPNVM除了1TOTP之外，還有2TOTPNVM。但是從存儲器單元面積考量，不比MaskROM位單元大多少的1TOTPNVM顯然比2TOTPNVM更具吸引力。此外，1TOTP存儲器單元的讀取訪問時間非常快，搭配先進工藝可以低至10ns，因此較易隨著工藝節點的縮小而擴展。

虛擬的多次可編程非易失性存儲器(MTPNVM)

當然OTPNVM只能寫入ㄧ次實在無法滿足客戶的需求，所以也有MTPNVM的研發。這些MTPNVM同樣沒有浮柵(FloatingGate)，使用CMOS邏輯制程工藝，不需增加任何Mask就能制造。然而，過去十幾年來雖然有很多公司都號稱研發且量產嵌入式MTPNVM，但目前實際的情況是，因為品質不穩定等因素，這些嵌入式MTPNVM一直無法實際進入穩定的量產。

可是市場需求很強烈，所以大家開始思考替代方案，其中一種就是用許多OTPNVM來兜成MTPNVM。目前各代工廠的嵌入式MTPNVM多屬此類以空間(存儲器面積)換取Endurance(寫入次數)的虛擬(Pseudo)MTPNVM。

MTPNVM的擦寫次數最多可以高達ㄧ千次，這是由ㄧ千個小OTPNVMBlock所組成，其結構如下圖所示。客戶可依其所需決定擦寫次數多寡，擦寫次數越多，所需OTPNVMBlock數目就越多，而每個Block的容量則越少。

MTPNVM包括ㄧ個固定不會修改的OTPCodeBlock。客戶依其應用把代碼分成不會再修改及可能會變更二部分，第一次寫入時分別寫入下圖中的最上方二個Blocks。爾后每次修改就使用ㄧ個新的Block來寫入更改的代碼，并關閉先前的Block。這種方式雖然達到多次寫入的目的，但很顯然，存儲器使用效率也變低了。

有沒有注意到圖4中OTP的Endurance也超過一次，這其實還是虛擬MTP的概念，只是寫入次數相對少很多，每個OTPBlock的容量則相對大多了。

總結

隨著物聯網時代的來臨，各項連接設備數量的急速增加，傳統崁入式NOR閃存在40nm以下先進制程工藝碰到瓶頸，MaskROM成本高又容易被逆向工程盜取所存儲的代碼。OTPNVM及其衍生的虛擬MTPNVM已準備好填補新型存儲器補位之前的空窗期，為物聯網應用帶來成本、尺寸、性能和安全性等各方面的優勢。