OTP存储器在AI时代的关键作用

关键要点

OTP非易失性存储器在安全存储数据、加密密钥和程序代码方面至关重要。

先进技术节点由于氧化层更薄、器件漏电流更高，对OTP的可靠性构成挑战。

新思科技提供经过优化的OTP NVM IP，包含稳健的位单元设计与必要的模拟组件，可保障运行的可靠性。

一次性可编程（OTP）非易失性存储器问世已久。与其他非易失性存储技术相比，OTP的占用面积更小，且无需额外的制造工序，因此成为存储启动代码、加密密钥等内容的热门选择。尽管听起来简单，但随着人工智能（AI）的大规模部署和对更先进技术的需求日益增长，平衡OTP的各项需求变得极具挑战性。

这类器件在安全存储数据、敏感程序代码、产品信息和身份验证加密密钥方面发挥着关键作用，必须可靠运行才能保证芯片的成功量产，尤其是考虑到新技术成本的飙升，器件的可靠运行至关重要。然而，先进技术节点对于OTP存储器的可靠运行带来了诸多挑战。为此，需要在多方面进行精细的平衡。值得庆幸的是，借助新思科技IP，我们能够找到在先进技术节点中平衡OTP需求的解决方案。

有何风险？

在先进的FinFET（鳍式场效应晶体管）技术节点中，设计、掩模和晶圆成本急剧攀升，使得一次性流片成功变得空前重要。而IP的可靠运行，尤其是OTP IP所支持的关键功能，正是通往成功的直接保障。下图展示了先进技术的成本增长速度。

▲ 设计成本不断攀升

OTP IP传输的数据很关键，能够激活先进AI设计的各项功能。由于这类数据高度敏感，因此必须确保信息的准确传输，且绝不容许加密密钥等信息出现泄露。在这些严苛要求之下，有诸多因素需要考量。我们来看看其中的一些因素。

成功路上的障碍

就从最基础的知识说起。对于典型的反熔丝型OTP存储器而言，未编程的单元代表逻辑值0，已编程的单元代表逻辑值1。这类器件在刚制造出来时，所有单元均处于未编程状态，因此都为逻辑0。对单元进行编程时，需要向其施加高压，高压会导致氧化层击穿，形成导电沟道或细丝，从而产生可测量的电流通路。

因此，读取OTP需要测量栅极漏电流，以判断存储单元是已编程（逻辑1）还是未编程（逻辑0）。该过程需要使用高于核心供电电压的稳定电压，以便在位线上获得足够的电流，从而可靠地读取数据。

到目前为止，这听起来颇为简单。但技术的进步使这一过程变得极具挑战性。

先进技术节点的氧化层更薄，因此在高于核心供电电压的稳压下进行读取时，OTP更容易出现位泄漏问题，甚至会将未编程的位误读为逻辑1。同时，氧化层变薄还会给正在读取的字线中未编程的单元带来更大的器件应力。

此外，先进技术节点的器件漏电流更高。这意味着需要使用更高的电压才能驱动足够的电流对OTP进行编程。而这些高电压可能会导致器件损坏，进而造成编程失败。并且，由于氧化层较薄，先进技术节点的OTP更易受高电压影响，可能出现过度编程。OTP过度编程会导致编程质量不佳，还会使存储单元不必要地过度暴露于高电压。更糟糕的是，高电压可能会引发编程干扰，即相邻的非目标单元可能被意外编程，从而导致其他错误。

此外，还有一系列功耗、性能和面积（PPA）方面的挑战需要应对。更高的漏电流会使OTP的面积竞争力难以维持，还可能限制可靠运行时的最大位容量。同时，编程时间也会影响整体制造成本。对OTP编程需要大幅提升电压，而先进技术节点的供电电压更低，因此可能需要更长时间才能将电压提升至足以驱动编程电流的水平，以实现OTP的成功编程，这会导致时间和成本的增加。

平衡需求以实现成功的技巧

以下列出了一部分要求。

可靠的解决方案始于位单元的设计。编程时形成的细丝质量取决于氧化层的击穿程度，而这又与位单元面积相关。如果面积过小，击穿氧化层、形成细丝就会变得困难，进而导致编程失败。如果面积过大，编程时氧化层可能会出现多处断裂。 

所有这些都可能导致关键数据读取错误。因此，必须谨慎选择位单元面积，以便优化编程时细丝的形成，避免错误发生，确保编程的可靠性。

OTP的读取和编程均依赖高压，这些电压由模拟集成电源（IPS）产生和调节。IPS的设计对OTP的正常工作至关重要，电压的波动会导致数据保持问题或错误。

此外，在读取时，OTP输出的数据必须始终可靠，确保所读取的数据的完整性至关重要。用于标识OTP输出“可用”的信号必不可少，这类信号能排除读取过程中因电压不稳定导致的非预期数据损坏。

再者，先进技术节点的器件漏电流较高，需要采取干预措施，不仅要保证OTP的可靠性，还要确保性能和功耗达到目标。需要精心设计位线长度和存储阵列宽度，避免存储器工作时出现过大的IR压降。

最后，模拟设计的优化是关键。例如，感测放大器必须对先进技术节点特有的低电压具有极高敏感性，以保证编程速度，编程速度会影响制造成本，需要通过高压电路的专业设计进行优化。但由于要同时满足以下两个相互冲突的要求，实现起来颇具挑战性：既要尽量减小OTP的整体面积，又要确保IPS中的电荷泵能提供足够电流以成功完成存储器编程。

新思科技提供解决方案

为满足先进节点的需求，新思科技OTP NVM IP基于一个稳健且经过优化的反熔丝位单元。它已通过高温工作寿命（HTOL）测试验证，能够平衡前文所述的各项需求。

此解决方案包含由平铺位单元组成的存储阵列、解码器、模拟元件（如感测放大器），以及生成读取和编程所需电压的IPS。其选定的读取电压既能确保位单元读取可靠，又能保证数据至少保存10年。

该IP通过增加额外的位来增强性能，以应对随机制造缺陷和现场故障。在初始测试期间，每个字都能纠正漏电位和/或编程失败错误。如果一个字内出现多个故障，可使用额外的修复资源，必要时可替换整个字。此外，OTP存储阵列还包含用于存储纠错码（ECC）的额外位。

该IP提供多种配置选项，可针对不同应用场景选择合适方案。整体解决方案还包含一个控制器，负责管理读写操作、测试与修复功能以及ECC编码和解码过程。该控制器以RTL形式作为软IP交付，OTP存储阵列和IPS集成在单个硬宏中。

此外，该方案还具备强大的安全功能。

了解更多

关于新思科技在OTP存储器优化实现方面的能力，刚才所说的不过是冰山一角。如今，几乎所有设计都需要某种形式的OTP来确保正常运行。抽些时间了解新思科技如何助力开发者应对这种平衡挑战，从而在先进技术节点上实现可靠运行，无疑是极具价值的。

有一篇内容详实的文章《利用先进OTP IP打造安全可靠的SoC设计》可供参考。这些资料将提供所需信息，助力开发者理解如何借助新思科技的IP，在先进技术节点中平衡OTP的各项需求。