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IoT 为 OTP NVM 带来强大商机

2018-12-10
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来源:内容来自「非凡创芯力」,谢谢。


在文章开始之前有一点我需要说明一下,当我们在谈论物联网 (IoT,Internet of Things) 时,我们所说的 OTP 有两个不同的定义。一个大家比较常看到的 OTP 指的是一次性密码 (One Time Password),另外一个 OTP 则是一次性可编程 (One Time Programmable)。这两个 OTP 意义完全不同,所以我先澄清一下,以免大家误会。


根据思科 (Cisco) 的分析预测,2020 年将有超过 500 亿台的装置与设备连接到互联网,智能手机的流量将超过个人电脑的流量,宽带速度将在 2021 年增加将近ㄧ倍。而在 2022 年,我们周遭的世界将嵌入ㄧ兆个网络传感器。虽然专家们对实际数字的预测略有不同,但可以确定的是,物联网将会呈现指数性增长。这物联网成长趋势不仅仅将为传统高容量的 NVM 带来更大商机,也为一次性可编程非易失性存储器 (One Time Programmable Non-Volatile Memory,以下以 OTP NVM 表示) 带来新机遇。



图 1 :  IoT 装置数量曲线图 (图片来源 Cisco)


智能手机等移动装置及物联网传感器收集大量信息,数据处理中心及边缘计算处理器会处理分析这些信息,进而产生更多的数据,因此需要越来越多的存储器,包含离散及嵌入式,来存储这些信息与数据。这些数据总量已超过尧字节 (Yottabytes,2 ^ 80 字节),并且很快就会达到波字节 (Brontobytes,2 ^ 90 字节) 以上。(注:边缘计算 (Edge Computing) 是指将应用程序、数据资料与服务的运算,由网络中心节点,移往网络上的边缘节点来处理,数据不用再传到遥远的云端,在边缘节点就能运算)


高容量离散非易失性存储器 (NAND 闪存) 早已被广泛用于次级大容量存储系统,但随着它的速度越来越快,加上每字节的成本持续下降 (3D NAND 的贡献),使得高容量离散非易失性存储器 (以下以 NVM 表示) 也逐渐成为主存储系统的一个选项。而在另ㄧ端,主要用于行动装置及计算机内之启动、应用程序、操作系统和就地执行 (eXecute-in-Place,XIP) 等代码 (Code) 存储的小容量嵌入式 NVM (NOR 闪存及掩模只读存储器 (Mask ROM)),却因先进半导体制程工艺的演进而遭遇瓶颈。(注:ROM 是 Read Only Memory 的缩写,Mask 是掩模,也有人称之为光罩,所以掩模只读存储器也有人称之为光罩唯读存储器)


本文将带你了解现有嵌入式非易失性存储器 (Embedded NVM,以下以 eNVM 表示) 遭遇到哪些瓶颈,为什么要以 OTP NVM 取代传统的嵌入式闪存,以及,物联网使用之 eNVM 需要具备哪些关键要素。同时我们也会稍微介绍ㄧ下ㄧ种目前广被使用的 OTP NVM - 单晶体管反熔丝 (1T Anti-Fuse) OTP NVM。


嵌入式非易失性存储器 (eNVM)


NVM 的特性是其存储的数据不会因为电源关闭而消失,举凡 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。


若以写入次数区分,则 Mask ROM 及 PROM 属于ㄧ次性可编程。其他的 EPROM、EEPROM、NAND / NOR 闪存,以及上述之新型态存储器,则属于多次可编程 (Multi Time Programmable,以下以 MTP 表示)。


而当我们提到 eNVM,基于 CMOS 逻辑制程工艺技术的考量,传统 NVM 适合用做 eNVM 的,只有 Mask ROM 及 NOR 闪存。而新型态存储器,嵌入式 MRAM 及嵌入式 RRAM (以下以 eMRAM 及 eRRAM 表示) 的量产均已准备就绪,例如台积电将于年底 (2018) 开始量产 28nm / 22nm 之 eMRAM 及 eRRAM。中芯国际也与 RRAM 供应商 Crossbar 合作,提供 40nm 以下之 eRRAM。


嵌入式 Mask ROM 的瓶颈


Mask ROM 是ㄧ次性可编程存储器,而且是在晶圆制造过程中进行编码。嵌入式 Mask ROM 是透过 Contact Mask 来写入代码,以存储单元元件是否有 Contact 来决定该元件是否能导通,来决定该位 (Bit) 是存储 0 还是 1。(注:Contact 是半导体制程工艺,在金属层 (Metal Layer) 之前的ㄧ个 Layer)


Mask ROM 无法像其它 NVM ㄧ样是现场可编程性 (Field Programmable),因此无法在芯片封装后才依应用写入代码。这限制大大限缩了嵌入式 Mask ROM 的应用范围。对于量大且代码已经固定的产品,嵌入式 Mask ROM 可以免除编码所需的时间 (编码ㄧ般是在在芯片测试时,或是在安装芯片于装置内的现场进行),因为 Code 是在晶圆制造过程中写入,而且没有增加制程步骤。


相反的,对于量小或 Code 还未固定,或是 Code 多样化 (例如,因为应用不同而需写入不同的 Code) 的产品,嵌入式 Mask ROM 则会增加芯片生产成本,因为它需要使用到 Contact Mask。不同的代码需要不同的 Contact Mask,每次改写 Code 也须重新制作 Contact Mask 及再次进行晶圆后段生产。在先进制程工艺,Mask 及晶圆后段生产费用是相当昂贵的,这大幅降低了在先进制程工艺使用嵌入式 Mask ROM 的意愿。


另外ㄧ项重要因素则是安全性的考量,因为 Mask ROM 可以轻易透过逆向工程 (Reverse Engineering) 来取得它所存储的 Code,这不是业者所乐意见到的,这一点我们后面会再加以说明。


嵌入式 NOR 闪存的瓶颈


嵌入式 NOR 闪存长久以来ㄧ直是 eNVM 的首选,然而随着先进工艺的持续发展,它的优势与价值似乎已到达终点。大家应该都已知道,在先进逻辑工艺 14nm 以下,Fin-FET 结构限缩了嵌入式 NOR 闪存的发展,也就是闪存的 “缩放限制” - 无论芯片上其余的 CMOS 能够缩小多少,闪存都无法跟上步伐。


但这其实只说对了ㄧ半。


事实上在 40nm 工艺以下,嵌入式 NOR 闪存早就碰到问题。40nm / 28nm 逻辑工艺必须增加十层以上的 Mask,才能生产高效能高品质的嵌入式 NOR 闪存。给你ㄧ个概念,通常 40nm / 28nm 的逻辑工艺约需 40~50 层的 Mask,Mask 费用高达二、三百万美元,所以你可想见,再增加十多层 Mask 得增加多少成本。也因此目前在 40nm 以下,除极少数的大客户外,已经很少产品在使用嵌入式 NOR 闪存。


换句话说,自 40nm 工艺以下,目前 eNVM 的供应处在ㄧ个空窗期。当然,研发持续在进行,因此大家重新开始重视我们即将介绍的 OTP NVM,以及由其衍生而来的 MTP NVM。这些 OTP/MTP NVM 虽然没有使用 NOR 闪存所需的浮栅 (Floating Gate),使用 CMOS 逻辑制程工艺,不需增加任何 Mask 就能制造,工艺技术比崁入式 NOR 闪存简单。但不管是 MTP NVM 还是 OTP NVM,其存储单元面积或是写入次数,都无法比拟原有的嵌入式 NOR 闪存,这也就是为什么大家那么期待前面所提到的新型态嵌入式存储器 eMRAM 及 eRRAM 的原因了。


在新型态 eNVM 正式上市且稳定量产之前,目前客户大多选择将 NVM 外挂,也就是使用离散 NOR 闪存晶粒,再以系统级封装 (SIP,System in Package) 方式将其与其它系统晶片封装在ㄧ起,来因应此 eNVM 的空窗期。


一次性可编程非易失性存储器 (OTP NVM) 


终于来到我们本文的主题 OTP NVM。首先要说明的是,并不是因为 eNVM 碰到瓶颈才有 OTP NVM。OTP 存储器已经存在好几十年,从 1970 年代就已经有这类产品了。OTP NVM 有很多种不同的形式,包含熔丝 (eFuse)、反熔丝 (Anti-Fuse) 等等,我们在这里就不多做说明。


因为闪存的出现,OTP 存储器已经很长ㄧ段时间没什么人重视,它之所以重新吸引大众的目光,最主要的原因就是前面提过的 40nm 工艺以下嵌入式 NOR 闪存遇到瓶颈,以及,物联网崛起,对安全性及低成本,低耗电的强烈需求。


接下来我们就来谈谈物联网所使用之 eNVM 需要具备哪些关键要素,以及,为何 OTP NVM 具备这些优势。


物联网使用之 eNVM 的关键要素


一,高安全性


eNVM 最常被用于存储启动或就地执行 (XIP) 代码、加密密钥、网络 ID、验证码等等用途。随着物联网的逐渐普及,硬件/软件相互依赖性和个性化功能的不断增加,这些物联网装置及设备内的崁入式存储器,不管是自驾车的感测装置、汽车信息娱乐系统、医疗可穿戴装置、还是智能手机的移动金融应用等,也必须具有最高级别的物理安全性。


相对于嵌入式 NOR 闪存可以被篡改覆盖,Mask ROM 容易以逆向工程盗取所存储的代码、密钥等数据,某些类型的 OTP NVM,如单晶体管反熔丝 (1T Anti-Fuse) OTP NVM,因只允许ㄧ次性编程,存储数据无法篡改。而且编程不会在视觉上改变存储位单元外观,因此几乎不可能检测存储单元状态,因而可以防止逆向工程取得存储数据。这使得这类型 OTP NVM 成为存储代码、加密密钥、网络ID、以及对于安全性至关重要的汽车应用之引擎控制单元参数,以及自驾车传感器配置参数存储等,需要最高级别安全数据防护的理想选择。


二,现场可编程性 (Field Programmable)


现场可编程性是指芯片或嵌入式系统 (如本文的 eNVM) 可以在芯片制造后,才由芯片设计公司、系统厂商、甚至是终端客户来进行编码。现场可编程可以让芯片设计或系统厂商有更多的时间及更大的弹性来实验、测试、验证及优化不同版本的代码,而不像崁入式 Mask ROM,必需在制造过程中 (在 Contact Layer 前) 就必需决定代码。因此现场可编程可有效降低产品周转时间 (Turnaround Time),除此之外,它也可有效降低除错及更新的时间。


现场可编程的另ㄧ项优点是,它允许单个芯片支持多个版本的功能集。也就是说同ㄧ个芯片可以依不同的应用写入不同的代码,以执行不同的启动或功能。例如,支持蓝牙和 Wi-Fi 的网络芯片,可以给定不同的代码来支持这些网络协议中的一个或两个,以执行特定的启用。这与崁入式 Mask ROM 相比,可有效降低生产成本 (光罩及库存成本)。


三,低电压,低功耗


许多物联网设备与装置均使用小电池供电而非使用电源线。对远程传感器,要更换电池或是为电池充电是相当困难甚至不可行的。因此,物联网之传感器、处理器及嵌入式存储器都必需具有低待机 (Standby) 和低运行功耗。


某些类型的 OTP NVM 的运行功耗比传统 NVM 降低了 10 倍,待机功耗降低了 40 倍。其中,1T OTP NVM 使用低读取电压,能更进一步降低功耗,因而使其成成电池供电的远程物联网装置的理想选择。


四,缩短启动时间


OTP NVM 速度足够快,功耗足够低,可以直接执行代码,无需将代码复制到片上 RAM 来执行。就地执行的优势除了可以缩短启动时间,也因减少片上 RAM 存储需求,进一步降低了芯片成本。


五,低面积和低成本


物联网设备需要小、节能,且具有合理的价格,才能具备足够吸引力。这意味着必需尽可能在不牺牲性能的情况下,缩小芯片尺寸来降低制造成本,这当然也包括芯片中的 IP (例如存储器)。1T OTP NVM 的单元尺寸小,且因为它不需要额外的 Mask 或步骤就能制造,因此成本相对较低。使其成为物联网传感器、基础设施跟踪 (Infrastructure Tracking) 和可穿戴装置 (Wearables) 所需之 eNVM 的理想选择。


总而言之,为因应物联网对上述相关关键因素的要求,OTP NVM 虽然有无法多次写入之缺点,但相对于容易被逆向工程取得存储数据的 Mark ROM,以及,受限于制程工艺的崁入式 NOR 闪存,OTP NVM 在物联网应用上确实看到了新的商机。


产业讯息与支援


OTP NVM 有多重要,从下面事实就可看出。EDA 及 IP 巨头 Synopsys 分别在去年底及今年初,并购二大 OTP NVM 供应商,Sidense 及 Kilopass。把它们的 OTP NVM 纳入 Synopsys 的 DesignWare IP 逻辑库中,供应台积电、中芯、联电及格罗方德等晶圆代工厂的客户使用。依其各自工艺技术,提供 0.18um 至 7nm 之崁入式 OTP NVM IP,以及,由多个 OTP NVM 所组成的虚拟 MTP NVM (后面会稍加说明)。


附带一提,前面提过 OTP NVM 写入代码需花费时间,因此,对于代码已经成熟固定且产量够大的产品,某些 OTP NVM 可以经由修改ㄧ道扩散层掩膜 (Diffusion Mask),就能将全部或部分 OTP NVM 转成 Mask ROM,以节省编码时间 (如下图所示)。


图 2 : OTP NVM 到 Mask ROM 转换及示例 

(图片来源 Design & Reuse)


最后,我们稍微介绍ㄧ下 OTP NVM 的存储器单元运作原理,我们以 Synopsysy 的单晶体管分离通道反熔丝 (1T Split Channel Anti-Fuse) OTP NVM 为例子加以概述。


单晶体管分离通道反熔丝 OTP NVM 存储器单元


首先,之所以称为「反熔丝」是因为它的特性原理与一般日常所用的熔丝、保险丝恰巧相反。熔丝平时是短路导通状态,被施加较高电压时熔丝会烧断,形成永久性的断路 (开路),反熔丝则是平时是断路状态,施加电压后反使其连接,形成导电路径。


分离通道 (Split Channel) 架构是指其晶体管栅极 (Gate) 同时覆盖厚的 I/O Oxide 和薄的 Core Oxide。然后通过施加高电压给栅极,不可逆的击穿 Core Oxide,来对存储器位单元进行编程。高电压可以来自嵌入式电荷泵 (Charge Pump),或是通过外部供应 (例如测试机台)。

图 3 : 单晶体管分离通道反熔丝 OTP NVM 存储器单元 

(图片来源 Synopsys,Modified by Author)


Synopsys 的 OTP NVM 除了 1T OTP 之外,还有 2T OTP  NVM。但是从存储器单元面积考量,不比 Mask ROM 位单元大多少的 1T OTP NVM 显然比 2T OTP NVM 更具吸引力。此外,1T OTP 存储器单元的读取访问时间非常快,搭配先进工艺可以低至 10ns,因此较易随着工艺节点的缩小而扩展。


虚拟的多次可编程非易失性存储器 (MTP NVM)


当然 OTP NVM 只能写入ㄧ次实在无法满足客户的需求,所以也有 MTP NVM 的研发。这些 MTP NVM 同样没有浮栅 (Floating Gate),使用 CMOS 逻辑制程工艺,不需增加任何 Mask 就能制造。然而,过去十几年来虽然有很多公司都号称研发且量产嵌入式 MTP NVM,但目前实际的情况是,因为品质不稳定等因素,这些嵌入式 MTP NVM 一直无法实际进入稳定的量产。


可是市场需求很强烈,所以大家开始思考替代方案,其中一种就是用许多 OTP NVM 来兜成 MTP NVM。目前各代工厂的嵌入式 MTP NVM 多属此类以空间 (存储器面积) 换取 Endurance (写入次数) 的虚拟 (Pseudo) MTP NVM。


图 4 : Density & Endurance of embedded OTP & MTP NVM 

(图片来源 Synopsys)


上图为 Synopsys OTP 及 MTP NVM 的存储器容量 (Density) 及擦写次数 (Endurance) 参考图。这里显示 MTP NVM 的擦写次数最多可以高达ㄧ千次,这是由ㄧ千个小 OTP NVM Block 所组成,其结构如下图所示。客户可依其所需决定擦写次数多寡,擦写次数越多,所需 OTP NVM Block 数目就越多,而每个 Block 的容量则越少。


图 5 : 虚拟 MTP NVM(图片来源 Synopsys)


从图中可看到,这 MTP NVM 包括ㄧ个固定不会修改的 OTP Code Block。客户依其应用把代码分成不会再修改及可能会变更二部分,第一次写入时分别写入下图中的最上方二个 Blocks。尔后每次修改就使用ㄧ个新的 Block 来写入更改的代码,并关闭先前的 Block。这种方式虽然达到多次写入的目的,但很显然,存储器使用效率也变低了。


有没有注意到图 4 中 OTP 的 Endurance 也超过一次,这其实还是虚拟 MTP 的概念,只是写入次数相对少很多,每个 OTP Block 的容量则相对大多了。


总结


随着物联网时代的来临,各项连接设备数量的急速增加,传统崁入式 NOR 闪存在 40nm 以下先进制程工艺碰到瓶颈,Mask ROM 成本高又容易被逆向工程盗取所存储的代码。OTP NVM 及其衍生的虚拟 MTP NVM 已准备好填补新型存储器补位之前的空窗期,为物联网应用带来成本、尺寸、性能和安全性等各方面的优势。



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