Einmalig programmierbarer Speicher (OTP) ist nichtflüchtig, d. h. er behält seine Daten auch nach dem Ausschalten des Geräts. Es handelt sich um einen speziellen Typ von Nur-Lese-Speicher, der nur einmal programmiert oder beschrieben werden kann. Sobald dieser Speicher programmiert oder beschrieben wurde, kann er ohne spezielle Geräte und Verfahren nicht erneut beschrieben werden.
Die Programmierung eines OTP-Speichers erfordert spezielle Geräte, da der Speicher für eine genau festgelegte Zeit und Intensität ultraviolettem Licht oder ähnlichen Bedingungen ausgesetzt werden muss. Diese Bedingungen treten normalerweise nicht zufällig auf und erfordern äußerst spezifische Voraussetzungen, um den Speicher zu programmieren.
Dieser kurze Leitfaden vermittelt Lesern einen Überblick darüber, was ein One-Time-Programmable-Speicher (OTP) ist, wie er verwendet wird und wo OTP-Speicher im Alltag zum Einsatz kommen kann.
Was ist OTP in SOC-Chips?
In SOC-Chips ist OTP (One-Time Programmable) eine Art nichtflüchtiger Speicher, der nur einmal programmiert werden kann. Einmal geschrieben, sind die Daten dauerhaft und können nicht mehr verändert werden. Im Vergleich zu MTP-Speichern (Multi-Time Programmable) wie EEPROM hat OTP einen geringeren Platzbedarf und erfordert keine zusätzlichen Fertigungsschritte, weshalb es häufig in kostengünstigen Chips verwendet wird. OTP wird oft zum Speichern zuverlässiger und häufig abgerufener Daten wie Boot-Code, Verschlüsselungsschlüssel und Konfigurationsparameter für analoge Geräte verwendet.
Die Programmierung von OTP-Speichern erfordert spezielle Geräte, da der Speicher für eine genau festgelegte Zeit und Intensität ultraviolettem Licht oder ähnlichen Bedingungen ausgesetzt werden muss. Diese Bedingungen treten normalerweise nicht zufällig ein und erfordern äußerst spezifische Bedingungen, um den Speicher zu programmieren.
Im Gegensatz zu normalen Nur-Lese-Speichern, die nur einmal programmiert und dann für die statische Speicherung verwendet werden, ist der OTP-Speicher für Situationen vorgesehen, in denen die Daten unveränderlich bleiben müssen. OTP-Speicher wird in Situationen verwendet, in denen die Daten schädlich sein könnten, wenn sie verändert oder manipuliert würden.
2 Arten von OTP-Speichern
In modernen SOCs werden hauptsächlich zwei Arten von OTP verwendet: eFuse und AntiFuse.
eFuse OTP
eFuse ist eine Art einmalig programmierbarer Speicher, der mit Daten beschrieben wird, bevor der Chip das Werk verlässt. In der Regel verfügt eFuse über eine geringe Speicherkapazität innerhalb des Chips.
Der Begriff „Fuse” (Sicherung) bezieht sich auf eine mikroskopisch kleine Sicherung, die in den Chip eingebaut ist. eFuse wurde 2004 von IBM entwickelt und nutzt den Elektromigrationseffekt (EM), um einen dauerhaften Zusammenbruch seiner Struktur zu erreichen, was es zu einer innovativen Alternative zu älteren programmierbaren ROM-Technologien macht. eFuse erfordert keine neuen Materialien, Werkzeuge oder Herstellungsverfahren und kann die Chipfunktionalität dynamisch anpassen, um Qualität, Leistung und Energieeffizienz ohne manuelles Eingreifen zu verbessern.
Wie funktioniert eFuse?
eFuse wird zum Speichern wichtiger Daten wie Speicherreparaturinformationen, Chip-Parameter (z. B. Versorgungsspannung, Versionsnummer und Herstellungsdatum) verwendet. Nach der Herstellung wird der Chip getestet und relevante Informationen werden in den eFuse geschrieben.
eFuse ermöglicht eine dynamische Neuprogrammierung des Chips. In der Regel ist die Computerlogik fest in den Chip eingebaut und kann nach der Produktion nicht mehr geändert werden. Mit eFuse können jedoch während des Betriebs Änderungen an der Funktionsweise des Chips vorgenommen werden, um dessen Leistung zu verbessern.
eFuse kann aus Silizium oder Metall hergestellt werden und nutzt das Phänomen der Elektromigration, bei dem ein elektrischer Strom das Leitermaterial in Bewegung versetzt und schließlich den Stromkreis unterbricht. Dieser Prozess macht die Datenspeicherung in eFuse irreversibel. Allerdings begrenzt dieser Effekt die Anzahl der Lese- und Schreibvorgänge in eFuse.
Anwendungen von eFuse
- Geräteidentifikation und Seriennummern: eFuse speichert eindeutige Chip-IDs und Seriennummern und gewährleistet so die Eindeutigkeit der Geräte für die Nachverfolgung und Erkennung.
- Urheberrechtsschutz: eFuse speichert Verschlüsselungsschlüssel zum Schutz von Software und Dokumentation.
- Erhöhte Sicherheit: eFuse wird zum Speichern sensibler Daten wie Verschlüsselungsschlüssel und Passwörter verwendet, wodurch die Sicherheit des Chips erhöht und er vor Angriffen geschützt wird.
AntiFuse OTP
AntiFuse besteht aus zwei Transistoren – einem für die Programmierung und einem für das Lesen oder Auswählen. Mit der Verkleinerung der Prozessgeometrie steigt die AntiFuse-Dichte, wodurch größere Speicherkapazitäten möglich werden.
Anwendungen von AntiFuse
- Produktionslinie: AntiFuse OTP kann Produktseriennummern, Produktionsdaten und andere Tracking-Informationen speichern und hilft Herstellern so, die Produktion, Qualität und Produktlinie zu verfolgen.
- Boot-Code: AntiFuse kann Boot-Code sicher speichern und so verhindern, dass er manipuliert oder kompromittiert wird.
- Verschlüsselungsschlüssel: AntiFuse wird zur sicheren Speicherung von Verschlüsselungsschlüsseln verwendet und erhöht so die Gerätesicherheit.
eFuse vs. AntiFuse
Die wichtigsten Unterschiede zwischen eFuse und Antifuse sind der Stromverbrauch, die Sicherheit und der Programmiermechanismus:
Stromverbrauch:
AntiFuse verbraucht im unprogrammierten Zustand weniger Strom. eFuse hat im unprogrammierten Zustand typischerweise einen Widerstand von 50 bis 100 Ohm, während der programmierte Zustand einen höheren Widerstand (10 kOhm bis 100 kOhm) aufweist. AntiFuse hat jedoch im unprogrammierten Zustand einen höheren Widerstand und im programmierten Zustand einen niedrigeren Widerstand. Daher verbraucht eFuse im Allgemeinen mehr statische Energie als AntiFuse.
Sicherheit:
AntiFuse bietet eine höhere Sicherheit als eFuse. Im Gegensatz zu eFuse, das unter einem Mikroskop untersucht werden kann, um programmierte und unprogrammierte Zustände zu erkennen, ist AntiFuse sicher, da es selbst unter einem Mikroskop oder mit fokussierten Ionenstrahltechniken (FIB) praktisch unmöglich ist, programmierte von unprogrammierten Bits zu unterscheiden.
Programmiermechanismus:
- eFuse wird mit Hilfe von Strom hoher Dichte programmiert, der eine Elektromigration verursacht, wodurch das Metall oder Polysilizium bricht und eine dauerhafte Unterbrechung entsteht.
- AntiFuse wird programmiert, indem eine hohe Spannung an das Gateoxid eines Transistors angelegt wird, wodurch ein Lawinenausfall verursacht wird, der die Gate- und Source/Drain-Anschlüsse dauerhaft kurzschließt.
eFuse kann nur einmal programmiert werden, während AntiFuse in der Regel bis zu 18 Mal neu programmiert werden kann, was die Ausbeute in der Fertigung verbessert.
Wie wird ein einmalig programmierbarer Speicher verwendet?
OTP-Speicher wird in einer Vielzahl verschiedener elektronischer Systeme und Geräte verwendet, um wichtige Informationen zu speichern, die unveränderlich sein müssen. Eine der häufigsten Anwendungen von OTP-Speicher ist in Computersystemen, wo OTP-Speicher zum Speichern des BIOS- oder Basic Input/Output System-Codes verwendet wird. Dies ist der Code, der das System startet und die Hardware steuert. Die meisten Computersysteme verwenden OTP-Speicher zum Speichern des BIOS-Codes, da dieser unveränderlich sein muss und nicht manipuliert werden darf. Wenn jemand in der Lage wäre, den Code im BIOS zu ändern, könnte er möglicherweise die Kontrolle über den Computer erlangen und diesen sogar beschädigen. OTP-Speicher wird auch häufig in anderen Computersystemen verwendet, darunter Datenverarbeitungssysteme, Kommunikationssysteme und industrielle Steuerungssysteme.
Anwendungen von OTP-Speichern
- OTP-Speicher wird häufig in industriellen Umgebungen für Aufgaben wie die Steuerung von Maschinen und Systemen in der Fertigung eingesetzt.
- Er wird auch häufig in medizinischen Geräten und Systemen eingesetzt, um sicherzustellen, dass die Daten nicht manipuliert und nicht verändert werden können.
- OTP-Speicher wird auch häufig in Alltagsgeräten wie Smartphones, Tablets und Laptops verwendet.
- OTP-Speicher wird häufig zum Speichern des WLAN- oder Funknetzwerkschlüssels des Geräts verwendet. Dieser wird manchmal als WLAN-Passwort oder Passcode bezeichnet. Dabei handelt es sich um den Code, der zum Verbinden des Geräts mit einem Funknetzwerk verwendet wird.
- OTP-Speicher wird auch häufig in anderen Geräten wie Smartwatches, medizinischen Geräten und Sensoren verwendet, um wichtige Informationen wie Krankengeschichten und Patienteninformationen zu speichern.
Vorteile des OTP-Speichers
OTP-Speicher ist ein robuster und widerstandsfähiger Speichertyp, der äußerst zuverlässig und manipulationssicher ist. Dieser Speichertyp kann in einer Vielzahl unterschiedlicher Anwendungen und Systeme eingesetzt werden. Er ist besonders nützlich in Situationen, in denen Daten unveränderlich sein müssen. OTP-Speicher wird häufig in Computersystemen zum Speichern von BIOS-Code und anderen wichtigen Informationen verwendet. Er kann auch in anderen Systemen wie medizinischen Geräten und Sensoren eingesetzt werden. Es gibt viele verschiedene Arten von OTP-Speichern, und der jeweils verwendete Typ hängt vom System ab, in dem er eingesetzt wird.
Einschränkungen des OTP-Speichers
Eine der größten Einschränkungen des OTP-Speichers besteht darin, dass er nur unter ganz bestimmten Bedingungen programmiert werden kann. Um den Speicher zu programmieren, muss er für eine genau festgelegte Zeit und Intensität ultraviolettem Licht oder ähnlichen Bedingungen ausgesetzt werden. Diese Bedingungen treten normalerweise nicht zufällig ein und erfordern äußerst spezifische Voraussetzungen, um den Speicher zu programmieren. OTP-Speicher sind in vielen verschiedenen Systemen und Geräten äußerst nützlich. Sie können jedoch nicht neu programmiert werden, sodass alle erforderlichen Änderungen mit einem neuen Gerät vorgenommen werden müssen. Sobald der Speicher einmal programmiert wurde, kann er nicht erneut programmiert werden.
Fazit
OTP-Speicher ist ein robuster und widerstandsfähiger Speichertyp, der äußerst zuverlässig und manipulationssicher ist. Dieser Speichertyp kann in einer Vielzahl unterschiedlicher Anwendungen und Systeme eingesetzt werden. Er ist besonders nützlich in Situationen, in denen die Daten unveränderlich sein müssen.
OTP-Speicher wird häufig in Computersystemen zum Speichern von BIOS-Code und anderen wichtigen Informationen verwendet. Er kann auch in anderen Systemen wie medizinischen Geräten und Sensoren eingesetzt werden.
Es gibt viele verschiedene Arten von OTP-Speichern, und der jeweils verwendete Typ hängt vom System ab, in dem er eingesetzt wird.
