efuseIP进行spice建模的实现方案

1. efuse是什么?

回答efuse是什么之前，fuse是什么呢?fuse当然是熔丝，熔丝有很多种，常见的保险丝就是熔丝的一种。那什么是efuse呢?这个e的前缀表示电子的、可电子控制的。也就是说，efuse是可以电控制的fuse。

芯片设计中有时候要使用熔丝修调，工艺厂可提供的熔丝一般有金属熔丝和多晶熔丝，前者称作metal fuse，后者称作poly fuse。两种fuse随着过流的增加都会发生熔断，熔断前后的阻值差异巨大，比如熔断前可能在10Ω以内，熔断后可能在MΩ量级。因此，fuse具有以下两个明显的特点：

(1)通过选择是否熔断可以获得前后不同的阻值状态;

(2)熔断行为是不可逆的;

因为具有以上两个特点，所以在IC设计中，fuse被广泛应用在参数修调方面，当设计初值达不到要求或不理想时，可以通过对已经集成在IC中的fuse进行编程，从而改变配置，使性能参数达到目标值。由于不可逆特性，经过这种编程操作的IC的特性会固化下来，无法进行二次编程。所以应用在IC中的fuse也通常是为了出厂校正或者出厂修调。在一些数据需要加密的IC中，也会采用fuse来固化内部数据，使之不可更改。

2. efuseIP是什么?

实际的IC设计中，可能只需要用到很少量的fuse，这时候一般也就需要几个用几个，LAYOUT时按照设计规则放置就好了。但在需要大量控制字的应用中，直接使用很多单个的fuse就显得不那么经济了。这一方面是因为可靠性，另一方面也有面积、功耗等的考虑。这时候往往就需要用到efuseIP。

efuseIP是工艺厂提供的、具有全套资料且经过测试可直接调用的硬件IP。efuseIP包含多个熔丝单元，比如256个或者512个等，此外IP内部还会集成有读写控制等电路。既然集成有读写控制，efuseIP必须在一定的读写时序下工作。我们购买了工艺厂家efuseIP后，工艺厂家会提供相应的技术资料和.v文件等，.v文件其实就是用verilog编写的程序文件，但只是对efuseIP的行为的描述，该文件本身是不可综合的。

3. 为什么要进行efuseIP的spice建模?

目前正在设计的一款ADC芯片刚好需要用到efuseIP，由于efuseIP的.v模型无法直接带入spice或spectre仿真环境中，故只能通过混合仿真的方式进行顶层验证。为了能够用spectre或spice模拟仿真工具进行验证，所以就产生了对efuseIP进行spice建模的想法。

注意，这里说的"spice建模”，并不是100%用spice语法进行建模，而是建一个可以带入spice仿真环境的模型。

经过迭代尝试，最终还是建模成功了，并且经过仿真验证，已建模型的行为和厂家.v模型的行为基本一致。下面将解释具体的建模内容。

4. efuseIP的基本情况

首先我们看下图，该efuseIP包含一个8位的地址输入A<7:0>、一个 读使能RD，一个编程使能PGEN，一个地址使能AEN，以及8位并行输出D<7:0>。

图1：eFUSEIP的输入输出示意图

接着再看下表，其展示了厂家IP中各fuse的排布情况。可以看到，第一列从fuse0~fuse31，第二列从fuse32~fuse63，然后依次排布下去。

图2：熔丝的位置排布

以上介绍了efuseIP的基本情况，那实际中该efuseIP是怎样工作的呢?

对于上图所示的fuse阵列，为了精准控制每一个fuse,显然需要进行行列控制。A<7:0>的高3位可产生8个列信号，低5位可产生32个行信号，这样就可以对32*8的矩阵实现地址控制。需要编程时，令PGEN=1,RD=0，对指定地址位的熔丝进行熔烧操作。当需要读取熔丝数据时，令PGEN=0,RD=1，数据以每次8bit的形式并行输出，实际是一次读出一行数据，全部读出需要32次。

5. spice建模的具体实现

知道了efuseIP的行为，我们就可以着手进行建模了。看下图，最终的模型架构主要包括以下模块：Decode(译码电路，主要实现行列编码)、efuse Array(熔丝单元阵列)、Read(读取电路)

图3：模型电路架构图

我们最终搭建出的spice模型如下图所示，该模型电路全部利用verilogA和理想器件构建而成。

图4: 模型原理图

5.1 Decode电路

下图为译码电路的原理框图。地址信号为A<7:0>,其高三位A<7:5>作为3-8译码器的输入，产生8个列控制信号。低五位A<4:0>作为5-32译码器的输入，产生32个行控制信号。3-8译码器和5-32译码器可以用基本的组合逻辑电路实现，基本逻辑门可以调用理想的VerilogA模型。

图5: 译码电路原理框图

需要注意的是，RD与列控制信号COLx<7:0>或操作后输出真正的列控制信号COL<7:0>。这样一来，在数据读取时，RD=1，所有列信号都为1，表示所有列有效，就可以一次8bit读出有效行的所有数据。而熔丝编程时，RD=0，并不影响列控制信号，可以实现对每一位fuse的编程操作。

5.2 fuse 单元电路

我们看下图，其为第0行、第0列对应的fuse单元电路。图中用R1表示fuse。M1为编程开关，大尺寸，可以流过大电流。M2为读取开关，提供读取电流。

图6: fuse单元电路

编程时：当行列信号以及PGEN同时有效，M1导通，流过大电流，熔断fuse。读取时：当行列信号和RD同时有效时，M2导通，提供一路读取电流，读取电流在fuse两端形成压降，输出点经过反相之后的值即为读取结果。具体为：

(1)fuse熔断前，R1很小，R下端电压为高，D0_0=0;

(2)fuse熔断后，R1很大，R1下端电压为低，D0_0=1;

5.3 Read电路

下图所示为第0列读取电路原理图，其实质上是将第一列的所有fuse单元的结果进行了求和。

图7：Read电路原理图

之所以可以用最简单的求和电路来实现，是因为基于这样一个认识：

因为读取的时候，是从第0~第31行依次来读的，也就是说开始读第0行时，其他行都不读取，所以其他行的数据为0，因此求和并不会影响当前行数据的读出。当然，读其他行的时候也是一样的道理。

6. 写在最后

说说这个模型的缺点吧。该模型不能实现编程然后读取的一体动作。为什么呢?因为fuse是用一个电阻代替的，而电阻是没有记忆能力的，无论编不编程，阻值一旦给定就不能改变。那么这一点有没有办法改进呢?我想是有办法的。设想有一个记忆单元，只要不受到编程触发，就一直保持为0，一旦受到编程触发，就变为1，那就可以解决这个问题。具有这种功能之一的，电平触发型DFF是一个选择。