1. efuse是什么?

回答efuse是什么之前，fuse是什么呢?fuse當然是熔絲，熔絲有很多種，常見的保險絲就是熔絲的一種。那什么是efuse呢?這個e的前綴表示電子的、可電子控制的。也就是說，efuse是可以電控制的fuse。

芯片設計中有時候要使用熔絲修調，工藝廠可提供的熔絲一般有金屬熔絲和多晶熔絲，前者稱作metal fuse，后者稱作poly fuse。兩種fuse隨著過流的增加都會發生熔斷，熔斷前后的阻值差異巨大，比如熔斷前可能在10Ω以內，熔斷后可能在MΩ量級。因此，fuse具有以下兩個明顯的特點：

(1)通過選擇是否熔斷可以獲得前后不同的阻值狀態;

(2)熔斷行為是不可逆的;

因為具有以上兩個特點，所以在IC設計中，fuse被廣泛應用在參數修調方面，當設計初值達不到要求或不理想時，可以通過對已經集成在IC中的fuse進行編程，從而改變配置，使性能參數達到目標值。由于不可逆特性，經過這種編程操作的IC的特性會固化下來，無法進行二次編程。所以應用在IC中的fuse也通常是為了出廠校正或者出廠修調。在一些數據需要加密的IC中，也會采用fuse來固化內部數據，使之不可更改。

2. efuseIP是什么?

實際的IC設計中，可能只需要用到很少量的fuse，這時候一般也就需要幾個用幾個，LAYOUT時按照設計規則放置就好了。但在需要大量控制字的應用中，直接使用很多單個的fuse就顯得不那么經濟了。這一方面是因為可靠性，另一方面也有面積、功耗等的考慮。這時候往往就需要用到efuseIP。

efuseIP是工藝廠提供的、具有全套資料且經過測試可直接調用的硬件IP。efuseIP包含多個熔絲單元，比如256個或者512個等，此外IP內部還會集成有讀寫控制等電路。既然集成有讀寫控制，efuseIP必須在一定的讀寫時序下工作。我們購買了工藝廠家efuseIP后，工藝廠家會提供相應的技術資料和.v文件等，.v文件其實就是用verilog編寫的程序文件，但只是對efuseIP的行為的描述，該文件本身是不可綜合的。

3. 為什么要進行efuseIP的spice建模?

目前正在設計的一款ADC芯片剛好需要用到efuseIP，由于efuseIP的.v模型無法直接帶入spice或spectre仿真環境中，故只能通過混合仿真的方式進行頂層驗證。為了能夠用spectre或spice模擬仿真工具進行驗證，所以就產生了對efuseIP進行spice建模的想法。

注意，這里說的"spice建模”，并不是100%用spice語法進行建模，而是建一個可以帶入spice仿真環境的模型。

經過迭代嘗試，最終還是建模成功了，并且經過仿真驗證，已建模型的行為和廠家.v模型的行為基本一致。下面將解釋具體的建模內容。

4. efuseIP的基本情況

首先我們看下圖，該efuseIP包含一個8位的地址輸入A<7:0>、一個 讀使能RD，一個編程使能PGEN，一個地址使能AEN，以及8位并行輸出D<7:0>。

圖1：eFUSEIP的輸入輸出示意圖

接著再看下表，其展示了廠家IP中各fuse的排布情況。可以看到，第一列從fuse0~fuse31，第二列從fuse32~fuse63，然后依次排布下去。

圖2：熔絲的位置排布

以上介紹了efuseIP的基本情況，那實際中該efuseIP是怎樣工作的呢?

對于上圖所示的fuse陣列，為了精準控制每一個fuse,顯然需要進行行列控制。A<7:0>的高3位可產生8個列信號，低5位可產生32個行信號，這樣就可以對32*8的矩陣實現地址控制。需要編程時，令PGEN=1,RD=0，對指定地址位的熔絲進行熔燒操作。當需要讀取熔絲數據時，令PGEN=0,RD=1，數據以每次8bit的形式并行輸出，實際是一次讀出一行數據，全部讀出需要32次。

5. spice建模的具體實現

知道了efuseIP的行為，我們就可以著手進行建模了。看下圖，最終的模型架構主要包括以下模塊：Decode(譯碼電路，主要實現行列編碼)、efuse Array(熔絲單元陣列)、Read(讀取電路)

圖3：模型電路架構圖

我們最終搭建出的spice模型如下圖所示，該模型電路全部利用verilogA和理想器件構建而成。

圖4: 模型原理圖

5.1 Decode電路

下圖為譯碼電路的原理框圖。地址信號為A<7:0>,其高三位A<7:5>作為3-8譯碼器的輸入，產生8個列控制信號。低五位A<4:0>作為5-32譯碼器的輸入，產生32個行控制信號。3-8譯碼器和5-32譯碼器可以用基本的組合邏輯電路實現，基本邏輯門可以調用理想的VerilogA模型。

圖5: 譯碼電路原理框圖

需要注意的是，RD與列控制信號COLx<7:0>或操作后輸出真正的列控制信號COL<7:0>。這樣一來，在數據讀取時，RD=1，所有列信號都為1，表示所有列有效，就可以一次8bit讀出有效行的所有數據。而熔絲編程時，RD=0，并不影響列控制信號，可以實現對每一位fuse的編程操作。

5.2 fuse 單元電路

我們看下圖，其為第0行、第0列對應的fuse單元電路。圖中用R1表示fuse。M1為編程開關，大尺寸，可以流過大電流。M2為讀取開關，提供讀取電流。

圖6: fuse單元電路

編程時：當行列信號以及PGEN同時有效，M1導通，流過大電流，熔斷fuse。讀取時：當行列信號和RD同時有效時，M2導通，提供一路讀取電流，讀取電流在fuse兩端形成壓降，輸出點經過反相之后的值即為讀取結果。具體為：

(1)fuse熔斷前，R1很小，R下端電壓為高，D0_0=0;

(2)fuse熔斷后，R1很大，R1下端電壓為低，D0_0=1;

5.3 Read電路

下圖所示為第0列讀取電路原理圖，其實質上是將第一列的所有fuse單元的結果進行了求和。

圖7：Read電路原理圖

之所以可以用最簡單的求和電路來實現，是因為基于這樣一個認識：

因為讀取的時候，是從第0~第31行依次來讀的，也就是說開始讀第0行時，其他行都不讀取，所以其他行的數據為0，因此求和并不會影響當前行數據的讀出。當然，讀其他行的時候也是一樣的道理。

6. 寫在最后

說說這個模型的缺點吧。該模型不能實現編程然后讀取的一體動作。為什么呢?因為fuse是用一個電阻代替的，而電阻是沒有記憶能力的，無論編不編程，阻值一旦給定就不能改變。那么這一點有沒有辦法改進呢?我想是有辦法的。設想有一個記憶單元，只要不受到編程觸發，就一直保持為0，一旦受到編程觸發，就變為1，那就可以解決這個問題。具有這種功能之一的，電平觸發型DFF是一個選擇。