当我们在谈论 物联网 (IoT，InternetofThings)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(OneTimePassword)，另外一个OTP则是一次性可编程(OneTimeProgrammable)。
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(OneTimeProgrammableNon-VolatileMemory，以下以OTPNVM表示)带来新机遇。
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(EdgeComputing)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(3DNAND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(MaskROM))，却因先进半导体制程工艺的演进而遭遇瓶颈。(注：ROM是ReadOnlyMemory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(EmbeddedNVM，以下以eNVM表示)遭遇到哪些瓶颈，为什么要以OTPNVM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OTPNVM-单晶体管反熔丝(1TAnti-Fuse)OTPNVM。
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MaskROM、PROM、EPROM、EEPROM、NAND/NOR闪存(FlashMemory)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MaskROM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(MultiTimeProgrammable，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MaskROM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MaskROM的瓶颈
MaskROM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MaskROM是透过ContactMask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(MetalLayer)之前的ㄧ个Layer)
MaskROM无法像其它NVMㄧ样是现场可编程性(FieldProgrammable)，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MaskROM的应用范围。对于量大且代码已经固定的产品，嵌入式MaskROM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MaskROM则会增加芯片生产成本，因为它需要使用到ContactMask。不同的代码需要不同的ContactMask，每次改写Code也须重新制作ContactMask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MaskROM的意愿。
另外ㄧ项重要因素则是安全性的考量，因为MaskROM可以轻易透过逆向工程(ReverseEngineering)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OTPNVM，以及由其衍生而来的MTPNVM。这些OTP/MTPNVM虽然没有使用NOR闪存所需的浮栅(FloatingGate)，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MTPNVM还是OTPNVM，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，SysteminPackage)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(OTPNVM)
终于来到我们本文的主题OTPNVM。首先要说明的是，并不是因为eNVM碰到瓶颈才有OTPNVM。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。OTPNVM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OTPNVM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，MaskROM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OTPNVM，如单晶体管反熔丝(1TAnti-Fuse)OTPNVM，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OTPNVM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(FieldProgrammable)
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MaskROM，必需在制造过程中(在ContactLayer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(TurnaroundTime)，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MaskROM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OTPNVM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，1TOTPNVM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
OTPNVM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)。1TOTPNVM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(InfrastructureTracking)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，OTPNVM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MarkROM，以及，受限于制程工艺的崁入式NOR闪存，OTPNVM在物联网应用上确实看到了新的商机。
产业讯息与支援
OTPNVM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OTPNVM供应商，Sidense及Kilopass。把它们的OTPNVM纳入Synopsys的DesignWareIP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OTPNVMIP，以及，由多个OTPNVM所组成的虚拟MTPNVM(后面会稍加说明)。
附带一提，前面提过OTPNVM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OTPNVM可以经由修改ㄧ道扩散层掩膜(DiffusionMask)，就能将全部或部分OTPNVM转成MaskROM，以节省编码时间。
最后，我们稍微介绍ㄧ下OTPNVM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(1TSplitChannelAnti-Fuse)OTPNVM为例子加以概述。
单晶体管分离通道反熔丝OTPNVM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(SplitChannel)架构是指其晶体管栅极(Gate)同时覆盖厚的I/OOxide和薄的CoreOxide。然后通过施加高电压给栅极，不可逆的击穿CoreOxide，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(ChargePump)，或是通过外部供应(例如测试机台)。
Synopsys的OTPNVM除了1TOTP之外，还有2TOTPNVM。但是从存储器单元面积考量，不比MaskROM位单元大多少的1TOTPNVM显然比2TOTPNVM更具吸引力。此外，1TOTP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(MTPNVM)
当然OTPNVM只能写入ㄧ次实在无法满足客户的需求，所以也有MTPNVM的研发。这些MTPNVM同样没有浮栅(FloatingGate)，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MTPNVM，但目前实际的情况是，因为品质不稳定等因素，这些嵌入式MTPNVM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OTPNVM来兜成MTPNVM。目前各代工厂的嵌入式MTPNVM多属此类以空间(存储器面积)换取Endurance(写入次数)的虚拟(Pseudo)MTPNVM。
MTPNVM的擦写次数最多可以高达ㄧ千次，这是由ㄧ千个小OTPNVMBlock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OTPNVMBlock数目就越多，而每个Block的容量则越少。
MTPNVM包括ㄧ个固定不会修改的OTPCodeBlock。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OTPBlock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，MaskROM成本高又容易被逆向工程盗取所存储的代码。OTPNVM及其衍生的虚拟MTPNVM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。
