在芯片的微观世界里，有两位默默守护着电路安全与数据稳定的 “卫士”——eFuse 和 Anti-Fuse。它们虽然名字中都带有 “fuse”（保险丝），但在功能、特性、应用等方面既有联系又存在诸多差异。接下来，让我们一同深入探究它们的奥秘。

 

一、eFuse 的工作原理与特性

（一）工作原理

eFuse（电子保险丝）基于一个简洁而精妙的概念运作。它通过测量已知电阻器上的电压来精准检测电流。当电流如同脱缰野马般超过预先设计的限值时，场效应晶体管（FET）便会迅速行动，果断切断电流，如同在电路中设置了一道坚固的 “闸门”，防止过大电流对电路造成损害。形象地说，eFuse 就像是电路中的智能 “保安”，时刻监控着电流的动态，一旦发现异常，立即采取行动，保障电路的安全。

 

（二）独特特性

与传统的热保险丝相比，eFuse 展现出了诸多令人瞩目的特性。它具备热保险丝无法企及的灵活性和多样化功能。例如，在芯片制造完成后，eFuse 可以通过电信号进行编程操作，这一特性使得芯片在后期能够根据实际需求进行个性化配置。在eFuse中，短电流脉冲被应用于热致电子发射，这会使电流通过一个非常小的导线。该电流会引起电线中的材料熔断，形成一个永久性的开路。这个过程是不可逆的，一旦eFuse被熔断，就不能再次编程，无法实现这种动态的调整。

 

（三）在电路系统中的应用

从本质上讲，eFuse 属于一次性可编程存储器。CPU 出厂时，其 eFuse 空间内所有比特都被初始化为 “1”。一旦向其中某一位比特写入 “0”，就如同将这一比特对应的 “保险丝” 熔断，该比特的值便永久固定为 “0”，再也无法恢复到 “1”。这种不可逆的编程特性，使得 eFuse 在众多场景中找到了用武之地。

 

原始设备制造商（OEM）从 CPU 厂商采购芯片后，常常会利用 eFuse 烧写特定信息。这些信息包括公司的版本标识、芯片的运行模式等关键信息。通过烧写 eFuse，OEM 可以对芯片进行定制化标记，使其符合自身产品的需求。同时，由于 eFuse 的一次性编程特性，它在 Secure Boot 安全启动机制中扮演着至关重要的角色。在安全启动过程中，系统会读取 eFuse 中存储的特定信息，以此来验证芯片的合法性和完整性，防止恶意软件或非法操作篡改芯片启动程序，为芯片的安全运行筑牢第一道防线。

 

二、OTP：理解 eFuse 与 Anti - Fuse 的关键纽带

（一）NVM 的广泛范畴

在深入了解 eFuse 和 Anti - Fuse 之前，我们需要先认识一个重要的概念 ——NVM（Non - Volatile Memory，非易失性存储器）。NVM 的特点是存储的数据不会因为电源的关闭而消失，就如同一个坚固的 “数据仓库”，无论外界电力如何变化，其中的数据都能得以保存。像我们常见的 Mask ROM、PROM、EPROM、EEPROM、NAND / NOR 闪存（Flash Memory）等传统 NVM，以及目前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 的大家庭。这个大家庭成员众多，功能各异，共同满足着不同场景下对数据存储的需求。

 

（二）NVM 的可编程次数分类

从可编程次数的角度来看，NVM 可以清晰地分为三类：

 

MTP（Multiple-Time Programmable），即可以多次编程的存储器。这类存储器就像一本可以反复修改的笔记本，用户可以根据需要多次写入和擦除数据，具有很高的灵活性，适用于需要频繁更新数据的场景。

FTP（Few-Time Programmable），可编程次数有限的存储器。它介于 MTP 和 OTP 之间，虽然不像 MTP 那样可以无限制地多次编程，但相比于 OTP 又具有一定的可重复性，在一些对数据更新频率有一定要求，但又不需要过于频繁操作的场景中有着独特的应用价值。

OTP（One-Time Programmable），只允许编程一次的存储器。一旦对其进行编程，数据就会永久有效，如同在一块石碑上刻下的文字，无法轻易更改。OTP 并非特指某一种具体的存储器，而是代表了一种编程特性。eFuse 和 Anti - Fuse 都属于具有 OTP 特性的存储器，这也是它们的一个重要共性。

 

三、OTP 存储器的分类：eFuse 与 Anti - Fuse

（一）eFuse：芯片中的微观保险丝

在计算机技术领域，eFuse 是安置于计算机芯片中的微观保险丝。这项技术由 IBM 在 2004 年发明，它的出现为芯片的动态实时重新编程带来了革命性的变化。以往，计算机逻辑通常被 “蚀刻” 或 “硬连线” 到芯片上，在芯片制造完成后就无法更改，如同建筑完成后难以对内部结构进行大规模改动。而 eFuse 的诞生改变了这一局面，芯片制造商可以在芯片上的电路运行时对其进行更改，为芯片的后期优化和个性化定制提供了可能。

 

eFuse 可以采用硅或金属材料制成，其工作原理基于电迁移现象。简单来说，电迁移就是电流导致导体材料移动的一种物理现象。在 eFuse 编程过程中，当有电流通过时，导体材料会发生移动，随着时间的推移，编程期间产生的 “熔丝碎屑” 可能会反向生长。这种反向生长可能会导致原本因电迁移而断开的金属线再次连接，从而改变了原本要存储的数据，引发错误行为。这一特性也限制了 eFuse 的可读次数，就像一本被反复涂改的书，随着涂改次数的增加，字迹会变得模糊不清，可读性逐渐降低。

 

（二）Anti - Fuse：功能相反的电气装置

Anti - Fuse（反熔丝）是一种功能与传统保险丝截然不同的电气装置。传统保险丝在正常情况下处于低电阻导通状态，当电流过大时，保险丝熔断，切断电路，以保护电路中的其他元件。而 Anti - Fuse 则恰恰相反，它在默认状态下处于高电阻不导通状态，就像一条被阻断的道路。当施加较大的电压时，Anti - Fuse 会发生物理变化，转变为永久性导电路径，如同在阻断的道路上开辟了一条新的通道，使得电流能够顺利通过。

 

（三）eFuse 与 Anti - Fuse 的区别

器件面积

从器件面积方面比较，eFuse 的 cell（单元）面积相对较大。这就意味着在有限的芯片空间内，若要使用 eFuse 构建大容量的存储单元，会面临诸多限制，因此通常只有小容量的 eFuse 器件可供选择。当然，如果确实需要大容量的 eFuse 存储，也可以通过多个 eFuse Macro（宏单元）拼接的方式来实现，但这无疑会增加芯片的面积，进而导致成本上升。而 Anti-Fuse 的 cell 面积非常小，这一优势使得它能够提供更大容量的 Macro，在对存储容量有较高要求的场景中具有明显的竞争力。

功耗

在功耗方面，eFuse 和 Anti - Fuse 也表现出不同的特性。未编程的 eFuse 典型电阻值大约在 50 到 100 欧姆之间，而编程后的 eFuse 典型电阻值则在 10Kohms 到 100Kohms 范围。与之相反，Anti - Fuse 在未编程状态下电阻较高，编程后电阻较低。在实际使用中，不论是 eFuse 还是 Anti - Fuse，未编程位的默认值都是 “0”。对于 eFuse 来说，存储的 “0” 越多，意味着有更多未编程的 eFuse 处于低电阻状态，从而导致功耗增大；而对于 Anti - Fuse，存储的 “0” 越多，由于其未编程时高电阻的特性，功耗反而越小。此外，eFuse 的静态功耗要远远高于 Anti - Fuse，这在一些对功耗要求极为严格的应用场景中，如电池供电的移动设备等，是一个需要重点考虑的因素。

安全性

安全性是 eFuse 和 Anti - Fuse 的一个重要区别点。Anti - Fuse 在安全性方面表现出色，具有很强的保密性。在显微镜下，几乎无法区分 Anti - Fuse 的编程位和未编程位，这使得通过物理手段读取其编程数据变得极为困难。即使采用聚焦离子束（FIB）等先进技术，也难以检测到电压热点，进一步增加了破解其存储数据的难度。相比之下，eFuse 在显微镜下可以较为清晰地区别出编程位和未编程位。在多晶硅栅 CMOS 工艺中，多晶硅 eFuse 应用广泛，其电迁移现象发生在硅化物层。然而，在采用 high - k 材料做金属栅极（HKMG）的 MOSFET 工艺中，由于没有多晶硅层可用作 eFuse，只能改用金属层作 eFuse。但无论是哪种 eFuse，其在物理特征上的可区分性都使得它在面对恶意窥探时，安全性相对较弱，未经授权的用户更容易尝试获取存储在其中的数据。

编程机制

二者的编程机制也存在显著差异。Anti - Fuse 的编程过程是在薄栅氧上施加高电压，利用雪崩击穿的原理使晶体管的栅极和源极短路，从而实现编程。而 eFuse 则是通过 I/O 电压，向金属条或多晶硅条施加高密度电流来进行编程。在这个过程中，eFuse 中的低电阻金属由于高密度电流通过窄金属或多晶硅，会发生电迁移现象，最终导致金属熔断。值得注意的是，eFuse 在编程时，其两端由于散热条件较好，相比中间较窄区域能够更好地冷却，所以熔断部分通常会出现在 eFuse 中间的窄区域。此外，eFuse 编程一比特，需要一对 eFuse 协同工作，其中一个用于编程，另一个作为差分放大器读取参考电阻。并且，eFuse 只能被编程一次，若编程后读取的值不是预期的 “1”，则意味着编程失败，这会直接影响芯片的良率。反观 Anti - Fuse，它具有较高的编程灵活性，可以被编程约 18 次左右。如果初次编程失败，还可以反复尝试编程，这种特性有助于提高芯片制造过程中的良率，降低生产成本。

（四）存储原理和寿命

eFuse 的存储原理和寿命

eFuse 的存储原理是通过将金属线熔断形成小孔，以此来存储数据。这种方式使得数据存储具有不可逆性，一旦金属线熔断，数据就被固定下来。同时，由于其物理结构和制造工艺的限制，eFuse 的内存容量通常比较小，一般在 512 位以下。这就好比一个空间有限的小仓库，只能存放少量的物品。而且，随着使用过程中电迁移等现象的不断发生，eFuse 的性能会逐渐下降，其可读次数也受到限制，从而影响了它的使用寿命。

Anti - Fuse 的存储原理和寿命

Anti - Fuse 采用快速电子束技术在晶体管栅极中制造永久的浮动门来实现数据存储。与 eFuse 不同，这种存储方式使得数据存储在一定程度上具有可逆性，并且能够实现较大的存储容量，通常可以达到数 MB 以上，如同一个宽敞的大仓库，可以容纳大量的数据。此外，由于其存储原理和物理结构的特点，Anti - Fuse 在稳定性方面表现较好，能够在较长时间内保持数据的完整性，具有相对较长的使用寿命。

 

四、eFuse 和 Anti - Fuse 在芯片设计中的应用

（一）eFuse 在芯片设计中的应用

设备标识符和唯一序列号

在芯片设计中，eFuse 可以用于存储芯片的设备 ID 和唯一序列号。这就如同给每一个芯片赋予了一个独一无二的 “身份证号码”，通过这个号码，设备在各种系统中能够被准确地识别和区分。在大规模的设备管理和统计中，这种唯一性标识非常重要，它方便了生产厂商对产品进行跟踪和管理，也有助于用户在使用设备时进行准确的识别和配置。

版权保护

eFuse 还可以存储版权保护密钥，为芯片上的代码和文档提供安全保障。在当今数字化时代，知识产权保护至关重要，芯片作为众多电子产品的核心，其中存储的代码和数据往往包含了大量的知识产权。通过将版权保护密钥存储在 eFuse 中，可以有效地防止未经授权的复制和使用，保护芯片制造商和软件开发者的合法权益。

提高安全性

存储安全密钥、密码等关键信息是 eFuse 在提高芯片安全性方面的重要应用。在面对日益猖獗的黑客攻击和恶意软件威胁时，芯片的安全性显得尤为重要。eFuse 将这些关键信息存储在一个相对安全的区域，只有通过特定的授权方式才能访问，大大增加了芯片的安全性，降低了被黑客攻击的风险，保护了设备和用户的数据安全。

（二）Anti - Fuse 在芯片设计中的应用

生产流水线

在生产流水线中，Anti - Fuse OTP 发挥着重要的作用。通过在其中存储产品序列号、生产日期等关键信息，生产商可以对产品的生产过程进行全程跟踪。从原材料的采购、零部件的加工，到最终产品的组装和检测，每一个环节都可以通过这些存储在 Anti - Fuse OTP 中的信息进行追溯。这有助于提高生产效率，保证产品质量，同时也方便了对产品的售后服务和召回管理。

启动代码

将启动代码存储在 Anti - Fuse OTP 中，可以确保代码的安全性和完整性。在芯片启动过程中，启动代码的正确执行是设备正常运行的关键。由于 Anti - Fuse 的高安全性和稳定性，存储在其中的启动代码可以有效防止被攻击或篡改，为芯片的启动提供了可靠的保障，确保设备能够按照预定的程序正常启动和运行。

加密密钥

存储加密密钥等关键信息也是 Anti - Fuse OTP 的重要应用之一。在数据传输和存储过程中，加密技术是保护数据安全的重要手段。而加密密钥作为加密和解密的关键，其安全性至关重要。Anti - Fuse OTP 的高安全性特性使得它成为存储加密密钥的理想选择，能够有效地保护设备中的敏感数据，防止数据被窃取或篡改，保障用户的隐私和数据安全。

eFuse 和 Anti - Fuse 作为芯片世界中具有 OTP 特性的重要组成部分，它们各自独特的工作原理、特性和应用场景，为芯片设计和电子设备的发展提供了多样化的选择。在未来的芯片技术发展中，随着工艺的不断进步和应用需求的日益增长，eFuse 和 Anti - Fuse 有望在更多领域发挥更大的作用，为推动电子信息技术的发展贡献力量。

 

 

来源：国芯制造

关键词： 芯片