NVM IP：駕馭先進節點設計的存儲利器_風聞
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當前，隨着摩爾定律的逐漸走向極限，芯片製造業已經跨越了3納米節點，正朝着2納米的方向邁進。這一技術演進帶來的不僅僅是節點尺寸的縮小，更是對集成度、功耗和性能的極致追求。在這個挑戰日益嚴峻的背景下，芯片設計者面臨着前所未有的壓力和機遇。
與此同時，內存技術作為芯片設計的重要組成部分，也受到了極大的關注和挑戰。NVM IP技術的湧現，為解決這些挑戰提供了一條有力的途徑。相較於傳統晶圓工藝上提供的eFuse，NVM IP以其更高的密度、更低的功耗以及更快的速度等優勢，成為了先進節點設計中不可或缺的一環。
然而，要將NVM IP技術有效地融入到先進節點的設計中，並不是易事。
NVM的發展歷程和作用
NVM指的是非易失性存儲器（Non-Volatile Memory），是一種可以長期保存數據而無需持續供電的存儲技術。與易失性存儲器（如RAM）不同，NVM可以在斷電情況下保持數據完好。這使得它在許多應用中非常有用，比如計算機的啓動程序、固件、嵌入式系統和移動設備中的存儲等。
早期，芯片設計中使用的主要NVM是需增加工藝複雜度的E方（EEPROM）和Flash存儲器。後來，新的非易失性存儲器技術不斷湧現，以滿足不斷增長的市場需求和技術挑戰。NVM 技術包括了AntiFuse反熔絲OTP與不增加工藝的EEPROM等，這些技術在功耗、速度、密度和耐用性等方面都有所改進。
**隨着新型NVM技術的湧現，產生了對應的 NVM IP。**嵌入式NVM IP是指集成在芯片中的非易失性存儲器，可以根據應用需求進行配置。NVM IP核心可以用於產品ID識別、缺陷修補、存儲配置數據、程序代碼、密鑰、校準參數等，而不需要外部組件。
目前，NVM IP大致可分類為OTP（一次編程）、MTP（多次編程）和FTP（幾次編程）。其背後的發展緣由大抵如下：
伴隨着芯片功能的增加，在網絡時代安全性變得越來越重要的情況下，對芯片存儲方案的變化和發展。原本靠晶圓廠提供的eFuse存儲方案由於成本高、讀寫速度慢、安全性低、不靈活以及潛在的可靠性問題，逐漸無法滿足應用需求的問題，因而OTP IP（One-Time Programmable Intellectual Property，一次性可編程知識產權）首先被髮展出來取代eFuse/mask ROM。
與eFuse和mask ROM相比，OTP IP有更佳的功耗、性能和麪積（PPA），並且能夠實現更高容量，範圍從256Kb到1Mb。與eFuse不同的是，OTP IP允許在生產過程中進行編程，這使得它更加靈活，並且能夠滿足微控制器（MCU）等應用的資料儲存需求。同時，OTP IP 也更適合於安全性應用和密鑰存儲，相比之下比eFuse更為可靠。
隨後，MTP（Multiple Times Programmable，多次編程）與eFlash這樣能滿足多次重複更新的IP也陸續成熟，拓展至各個晶圓工藝節點，讓許多多樣性功能被實現，也讓原本外掛在系統上的ROM/EEPROM能微縮到芯片中，以降低成本，並提高了芯片的集成度和性能。
如今，NVM IP已在許多應用上已經不可或缺，例如像面板驅動IC（DDIC/TDDI），電源管理IC（PMIC），圖像顯示芯片（CIS）等皆須要使用到OTP/MTP。具體而言，OTP主要用於一次性編程的場景, 適用於一次性校正、ID紀錄、安全性密鑰；MTP可以用於數據編程需要頻繁更新的場景，例如藍牙芯片、DDR5 SPD等需要10K~100K次資料更新；FTP則能夠用於多次校準參數的場景，例如電源管理IC等模擬電路為主的應用。
目前，新思科技是業內少有的已經推出了成熟且全面的NVM IP解決方案。由於NVM是不允許任何數據錯誤或丟失，在開發過程皆須完成嚴苛的功能驗證，從開發到設計驗證得花上一至兩年時間，先在晶圓廠工藝完成驗證，才能提供給客户使用，除了眾多優點外，NVM IP成本也相對較高。新思科技NVM解決方案的優勢在於，能夠提供不增加光罩、建立於晶圓廠標準工藝的NVM，有效平衡了成本和性能。
在OTP部分，新思科技提供從0.18um到最先進工藝N4P（N3P開發中）的反熔絲（AntiFuse）OTP解決方案，支持大容量同時皆內建Charge Pump，能滿足從產測到客户應用端編程需求，也具備最佳的可靠度與安全性。
在MTP方面，新思科技提供從0.18um到40nm解決方案，能滿足幾次到400K次更新的應用需求，支持最大8Kb容量，可運作於5V，3.3V甚至業界唯一的2.5V MTP解決方案，另外也支持RFID應用，能達到所有操作皆在10uA以下的超低功耗。40nm以下暫無MTP解決方案。
NVM IP的發展為嵌入式存儲領域帶來了新的機遇，併為開發人員提供了更多選擇來滿足其應用需求。然而，NVM IP的前路上也有着自己的難題。
新興市場、先進工藝****對NVM IP提出更高要求
隨着高性能計算（HPC）、物聯網和人工智能芯片對安全存儲敏感數據的需求不斷增長，嵌入式非易失性存儲器（eNVM）在這些新興市場中的高級節點芯片中得到了越來越廣泛的應用。然而，先進工藝也帶來了新的挑戰，例如掩膜組成本和晶圓平均售價 (WASP) 的攀升，這使得嵌入式 NVM IP 的可靠性和高產率變得更加重要。
在工藝節點從FinFET開始，OTP的開發也面臨着更多挑戰，也延長了開發與驗證週期。晶圓廠為避免工藝微調造成NVM必須重新設計的情況，要求等工藝穩定後才允許OTP進行開發，這就拉長了OTP推出的時程。
此外，隨着工藝製程的不斷微縮，OTP的面積也相應大幅縮減。然而，反熔絲的編程過程需要使用電荷泵（Charge Pump）產生高壓。在先進工藝中，I/O電壓已經降至1.8V或1.2V，甚至隨着FinFET技術的發展進一步下降至GAA（環繞柵極晶體管）工藝節點，已經沒有可用的I/O元件。因此，必須依靠核心器件（core device）來發展電荷泵及其周邊電路，以確保在這些先進工藝上仍然能有可靠的OTP可用。這種依賴核心器件的設計方法使得OTP成為了一種近乎精品的獨門工藝。
新思科技的OTP方案, 具備三道保險來保證最佳良率與可靠度：包含採用兩倍實體cell讓每個比特都有兩倍保障；也允許在同一I/O單元內進行1個比特的錯誤修補；另有預留修補區塊可置換超過1個比特的不良。
此外，該方案將ECC（錯誤校正碼）作為標準預設，用户可以根據需要選擇開啓或關閉。這使得該方案不僅適用於一般消費應用，還能滿足高可靠度的工業控制、車用電子和數據中心等領域的需求。
值得一提的是，新思科技的OTP方案不僅能確保在工廠進行編程時的高良率，還能在應用端編程時同樣達到最佳良率。這種設計避免了因OTP編程失敗而導致芯片報廢的風險，大幅提高了芯片的整體可靠性和使用壽命。
新思科技在台積電5nm上的OTP解決方案
新思科技的OTP解決方案已在台積電N5工藝上完成驗證，並獲得TSMC IP9000認證。該OTP IP通過多層金屬工藝、擴展電壓支持和多種編程選項，能夠在各種應用中提供穩定且高效的存儲解決方案。
下圖展示了新思科技OTP IP在TSMC N5工藝上的實現（IP9000），並詳細描述了其特性和功能。新思科技的OTP解決方案邏輯位數/數據寬度範圍從16Kb到128Kb，採用8層金屬工藝，內置APB總線接口的RTL控制器，便於客户整合，無需自行開發控制模塊。
新思科技OTP IP的特性和功能
此外，OTP具有多項安全功能，包括獨立的讀取接口、字級和宏級別的編程和讀取鎖定，確保數據在開機上電時不會發生誤操作，並且每個I/O地址均支持讀取或寫入鎖定功能。同時，能夠檢測不正常電壓以防止黑客繞過或竊取OTP數據或安全密鑰。
在台積電的特性測試過程中，新思科技的OTP IP展示了卓越的良率和可靠性，並能在工藝、電壓、温度（PVT）條件下穩定運行。
在TT、FF、SS、FS和SF工藝分支下的硅片特性測試結果顯示，OTP IP幾乎可以達到100%輸入和編程良率，在測試的約1200Mb中，僅有1個位失敗，但已成功修復。相比於之前的OTP技術，新的OTP技術在單次脈衝編程中顯著提升了效率（在360Mb中僅17個位失敗）。無需讀取調節器（Read Regulator）即可從核心電壓（VDD）讀取。在廣泛的VDDIO電壓範圍內進行了特性表徵，保證了電壓適應性。
此外，該OTP解決方案從三個不連續批次中進行了硅片資格認證，結果顯示：在高温儲存壽命（HTSL）和高温操作壽命（HTOL）條件下OTP IP的表現均相當出色，HTSL測試温度為150°C（圖a），HTOL測試温度為125°C（圖b）；所有讀取點均未顯示出位單元退化（圖c），確保了數據的長期可靠性；完成了資格認證，無需使用ECC（錯誤校正碼），進一步簡化了設計和使用。
結語
在半導體行業的演進過程中，NVM IP技術的應用為芯片設計者帶來了前所未有的機遇和挑戰。通過突破傳統存儲器技術的限制，NVM IP技術使得在更小的尺寸上實現更高的性能和功能成為可能，推動着芯片設計邁入新的時代。
在這個變革的浪潮中，新思科技的NVM IP憑藉其安全、可靠和高產率的特性，為新興市場和先進工藝提供了全面的NVM解決方案。展望未來，NVM IP技術將繼續發揮重要作用，引領芯片設計不斷創新，推動半導體產業發展。
6月21日，新思科技將針對如何在SoC設計中使用NVM帶來一場乾貨分享，歡迎註冊報名，與我們共同探討！