深度解析 eFuse 與 Anti-Fuse：芯片世界的 “保險(xiǎn)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(xiǎn)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(lái)，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(xiǎn)絲）基于一個(gè)簡(jiǎn)潔而精妙的概念運(yùn)作。它通過測(cè)量已知電阻器上的電壓來(lái)精準(zhǔn)檢測(cè)電流。當(dāng)電流如同脫韁野馬般超過預(yù)先設(shè)計(jì)的限值時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）便會(huì)迅速行動(dòng)，果斷切斷電流，如同在電路中設(shè)置了一道堅(jiān)固的 “閘門”，防止過大電流對(duì)電路造成損害。形象地說(shuō)，eFuse 就像是電路中的智能 “保安”，時(shí)刻監(jiān)控著電流的動(dòng)態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)異常，立即采取行動(dòng)，保障電路的安全。

（二）獨(dú)特特性

與傳統(tǒng)的熱保險(xiǎn)絲相比，eFuse 展現(xiàn)出了諸多令人矚目的特性。它具備熱保險(xiǎn)絲無(wú)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(hào)進(jìn)行編程操作，這一特性使得芯片在后期能夠根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行個(gè)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(huì)使電流通過一個(gè)非常小的導(dǎo)線。該電流會(huì)引起電線中的材料熔斷，形成一個(gè)永久性的開路。這個(gè)過程是不可逆的，一旦eFuse被熔斷，就不能再次編程，無(wú)法實(shí)現(xiàn)這種動(dòng)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(chǔ)器。CPU 出廠時(shí)，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(duì)應(yīng)的 “保險(xiǎn)絲” 熔斷，該比特的值便永久固定為 “0”，再也無(wú)法恢復(fù)到 “1”。這種不可逆的編程特性，使得 eFuse 在眾多場(chǎng)景中找到了用武之地。

原始設(shè)備制造商（OEM）從 CPU 廠商采購(gòu)芯片后，常常會(huì)利用 eFuse 燒寫特定信息。這些信息包括公司的版本標(biāo)識(shí)、芯片的運(yùn)行模式等關(guān)鍵信息。通過燒寫 eFuse，OEM 可以對(duì)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(shí)，由于 eFuse 的一次性編程特性，它在 Secure Boot 安全啟動(dòng)機(jī)制中扮演著至關(guān)重要的角色。在安全啟動(dòng)過程中，系統(tǒng)會(huì)讀取 eFuse 中存儲(chǔ)的特定信息，以此來(lái)驗(yàn)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(dòng)程序，為芯片的安全運(yùn)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(shí)一個(gè)重要的概念 ——NVM（Non - Volatile Memory，非易失性存儲(chǔ)器）。NVM 的特點(diǎn)是存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)不會(huì)因?yàn)?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E7%94%B5%E6%BA%90/">電源的關(guān)閉而消失，就如同一個(gè)堅(jiān)固的 “數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)”，無(wú)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(chǔ)器，如磁性存儲(chǔ)器（MRAM）、阻變存儲(chǔ)器（RRAM）、相變存儲(chǔ)器（PRAM）、鐵電存儲(chǔ)器（FeRAM）等等，都屬于 NVM 的大家庭。這個(gè)大家庭成員眾多，功能各異，共同滿足著不同場(chǎng)景下對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(lái)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(chǔ)器。這類存儲(chǔ)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(chǎng)景。
2. FTP（Few-Time Programmable），可編程次數(shù)有限的存儲(chǔ)器。它介于 MTP 和 OTP 之間，雖然不像 MTP 那樣可以無(wú)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(duì)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(chǎng)景中有著獨(dú)特的應(yīng)用價(jià)值。OTP（One-Time Programmable），只允許編程一次的存儲(chǔ)器。
3. ?一旦對(duì)其進(jìn)行編程，數(shù)據(jù)就會(huì)永久有效，如同在一塊石碑上刻下的文字，無(wú)法輕易更改。OTP 并非特指某一種具體的存儲(chǔ)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(chǔ)器，這也是它們的一個(gè)重要共性。

三、OTP 存儲(chǔ)器的分類：eFuse 與 Anti - Fuse

（一）eFuse：芯片中的微觀保險(xiǎn)絲

在計(jì)算機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，eFuse 是安置于計(jì)算機(jī)芯片中的微觀保險(xiǎn)絲。這項(xiàng)技術(shù)由 IBM 在 2004 年發(fā)明，它的出現(xiàn)為芯片的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)重新編程帶來(lái)了革命性的變化。以往，計(jì)算機(jī)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(wú)法更改，如同建筑完成后難以對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行大規(guī)模改動(dòng)。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(yùn)行時(shí)對(duì)其進(jìn)行更改，為芯片的后期優(yōu)化和個(gè)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(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，電遷移就是電流導(dǎo)致導(dǎo)體材料移動(dòng)的一種物理現(xiàn)象。在 eFuse 編程過程中，當(dāng)有電流通過時(shí)，導(dǎo)體材料會(huì)發(fā)生移動(dòng)，隨著時(shí)間的推移，編程期間產(chǎn)生的 “熔絲碎屑” 可能會(huì)反向生長(zhǎng)。這種反向生長(zhǎng)可能會(huì)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(chǔ)的數(shù)據(jù)，引發(fā)錯(cuò)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(huì)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(xiǎn)絲截然不同的電氣裝置。傳統(tǒng)保險(xiǎn)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(shí)，保險(xiǎn)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(shí)，Anti - Fuse 會(huì)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(duì)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(chǔ)單元，會(huì)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(shí)需要大容量的 eFuse 存儲(chǔ)，也可以通過多個(gè) eFuse Macro（宏單元）拼接的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，但這無(wú)疑會(huì)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(shì)使得它能夠提供更大容量的 Macro，在對(duì)存儲(chǔ)容量有較高要求的場(chǎng)景中具有明顯的競(jìng)爭(zhēng)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(shí)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(duì)于 eFuse 來(lái)說(shuō)，存儲(chǔ)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(duì)于 Anti - Fuse，存儲(chǔ)的 “0” 越多，由于其未編程時(shí)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(duì)功耗要求極為嚴(yán)格的應(yīng)用場(chǎng)景中，如電池供電的移動(dòng)設(shè)備等，是一個(gè)需要重點(diǎn)考慮的因素。

安全性

1. 安全性是 eFuse 和 Anti - Fuse 的一個(gè)重要區(qū)別點(diǎn)。Anti - Fuse 在安全性方面表現(xiàn)出色，具有很強(qiáng)的保密性。在顯微鏡下，幾乎無(wú)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(cè)到電壓熱點(diǎn)，進(jìn)一步增加了破解其存儲(chǔ)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(wú)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(duì)惡意窺探時(shí)，安全性相對(duì)較弱，未經(jīng)授權(quán)的用戶更容易嘗試獲取存儲(chǔ)在其中的數(shù)據(jù)。

編程機(jī)制

1. 二者的編程機(jī)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(shí)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(lái)進(jìn)行編程。在這個(gè)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(huì)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(shí)，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(huì)出現(xiàn)在 eFuse 中間的窄區(qū)域。此外，eFuse 編程一比特，需要一對(duì) eFuse 協(xié)同工作，其中一個(gè)用于編程，另一個(gè)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(huì)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(chǔ)原理和壽命

eFuse 的存儲(chǔ)原理和壽命

1. eFuse 的存儲(chǔ)原理是通過將金屬線熔斷形成小孔，以此來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。這種方式使得數(shù)據(jù)存儲(chǔ)具有不可逆性，一旦金屬線熔斷，數(shù)據(jù)就被固定下來(lái)。同時(shí)，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(gè)空間有限的小倉(cāng)庫(kù)，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(huì)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(chǔ)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(dòng)門來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。與 eFuse 不同，這種存儲(chǔ)方式使得數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在一定程度上具有可逆性，并且能夠?qū)崿F(xiàn)較大的存儲(chǔ)容量，通?？梢赃_(dá)到數(shù) MB 以上，如同一個(gè)寬敞的大倉(cāng)庫(kù)，可以容納大量的數(shù)據(jù)。此外，由于其存儲(chǔ)原理和物理結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，Anti - Fuse 在穩(wěn)定性方面表現(xiàn)較好，能夠在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持?jǐn)?shù)據(jù)的完整性，具有相對(duì)較長(zhǎng)的使用壽命。

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

（一）eFuse 在芯片設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

設(shè)備標(biāo)識(shí)符和唯一序列號(hào)

1. 在芯片設(shè)計(jì)中，eFuse 可以用于存儲(chǔ)芯片的設(shè)備 ID 和唯一序列號(hào)。這就如同給每一個(gè)芯片賦予了一個(gè)獨(dú)一無(wú)二的 “身份證號(hào)碼”，通過這個(gè)號(hào)碼，設(shè)備在各種系統(tǒng)中能夠被準(zhǔn)確地識(shí)別和區(qū)分。在大規(guī)模的設(shè)備管理和統(tǒng)計(jì)中，這種唯一性標(biāo)識(shí)非常重要，它方便了生產(chǎn)廠商對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行跟蹤和管理，也有助于用戶在使用設(shè)備時(shí)進(jìn)行準(zhǔn)確的識(shí)別和配置。

版權(quán)保護(hù)

1. eFuse 還可以存儲(chǔ)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(shí)代，知識(shí)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(chǔ)的代碼和數(shù)據(jù)往往包含了大量的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。通過將版權(quán)保護(hù)密鑰存儲(chǔ)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(chǔ)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(duì)日益猖獗的黑客攻擊和惡意軟件威脅時(shí)，芯片的安全性顯得尤為重要。eFuse 將這些關(guān)鍵信息存儲(chǔ)在一個(gè)相對(duì)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(xiǎn)，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(jì)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(chǔ)產(chǎn)品序列號(hào)、生產(chǎn)日期等關(guān)鍵信息，生產(chǎn)商可以對(duì)產(chǎn)品的生產(chǎn)過程進(jìn)行全程跟蹤。從原材料的采購(gòu)、零部件的加工，到最終產(chǎn)品的組裝和檢測(cè)，每一個(gè)環(huán)節(jié)都可以通過這些存儲(chǔ)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(shí)也方便了對(duì)產(chǎn)品的售后服務(wù)和召回管理。

啟動(dòng)代碼

1. 將啟動(dòng)代碼存儲(chǔ)在 Anti - Fuse OTP 中，可以確保代碼的安全性和完整性。在芯片啟動(dòng)過程中，啟動(dòng)代碼的正確執(zhí)行是設(shè)備正常運(yùn)行的關(guān)鍵。由于 Anti - Fuse 的高安全性和穩(wěn)定性，存儲(chǔ)在其中的啟動(dòng)代碼可以有效防止被攻擊或篡改，為芯片的啟動(dòng)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(dòng)和運(yùn)行。

加密密鑰

存儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(dú)特的工作原理、特性和應(yīng)用場(chǎng)景，為芯片設(shè)計(jì)和電子設(shè)備的發(fā)展提供了多樣化的選擇。在未來(lái)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(zhǎng)，eFuse 和 Anti - Fuse 有望在更多領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用，為推動(dòng)電子信息技術(shù)的發(fā)展貢獻(xiàn)力量。