聊聊Masked ROM

本文简单讲讲相关的概念，感性的认识一下就行。其次是图片较多，挺好看。如果文字不通顺，烦请脑补。

掩模ROM（Masked ROM，或称为编程ROM）是一种特殊的只读存储器（ROM），它在制造过程中就被永久性地编程了数据。这种编程是通过在制造过程中的光刻步骤中，直接在芯片上创建逻辑电路的物理掩模来实现的，因此得名“掩模ROM”。这种技术在集成电路的大批量生产中特别有用，因为它能显著降低生产成本。

成本与灵活性的妥协

掩模ROM的主要优势在于其低成本。由于数据是在芯片制造时直接嵌入的，所以不需要额外的编程步骤或设备，这大大简化了生产过程并减少了生产成本。然而，这种技术也带来了一些限制。一旦芯片被制造出来，其存储的数据就无法更改，这意味着掩模ROM在程序灵活性上做出了妥协。因此，它们最适合那些不需要更改或升级固件的应用程序，比如嵌入式系统、微控制器、以及大批量生产的消费电子产品等。

视频游戏卡带中的应用

在视频游戏领域，掩模ROM也被广泛使用，尤其是在早期的游戏卡带中，如任天堂的NES（Nintendo Entertainment System）游戏卡。这些游戏卡通常包含一块或多块掩模ROM芯片，如你提到的MCM6570（尽管这是一个虚构的型号，用于说明概念，实际产品可能有所不同）。这些芯片直接存储了游戏的数据和程序，游戏主机可以直接读取这些数据，而无需通过复杂的图像处理或解码过程。这种方式简化了游戏数据的访问过程，使得游戏能够更快速地加载和运行。

直接读取的优势

掩模ROM芯片直接读取的优势在于其高速性和直接性。由于数据是直接以物理电路的形式存储在芯片上的，因此访问这些数据时不需要任何中间解码或转换步骤。这使得游戏或其他应用程序能够更快地启动和运行，同时也减少了出错的可能性。此外，由于掩模ROM的制造成本较低，这也使得基于掩模ROM的游戏卡带能够以较低的价格提供给消费者。

总之，掩模ROM因其低成本和直接读取的特性，在大批量生产的集成电路和视频游戏卡带中得到了广泛应用。尽管它们在程序灵活性上有所妥协，但在许多不需要频繁更新或修改固件的应用场景中，掩模ROM仍然是一种非常有效的存储解决方案。

现在我们知道了掩模ROM通常用于大批量生产的集成电路，这些电路为了降低成本，可以接受在程序灵活性上的妥协。此外，还生产了独立的掩模ROM，如MCM6570，它们最常见于视频游戏卡带中。这些芯片可以直接读取，无需通过图像处理来解码。

然而，需要注意的是，由于这些芯片易于读取，因此它们经常与安全处理器配合使用，以防止简单的复制（例如，任天堂的CIC系列芯片）。

小型ROM也被用于构建逻辑阵列，如CPU微码等应用。

逻辑门

NOR

NOR ROM的工作原理是将位线拉高到VCC。当选择一个字线时，可能存在某种机制将其拉低。因此，它被称为“NOR”，因为输出为1，除非任何位线将输出拉低。

例如，假设WL0为1，其余为0。BL0产生1，因为没有将其短路到地，但在顶部有一个拉高到VCC的元件。同样对于BL2，WL1和WL3晶体管都关闭，允许输出1。然而，BL3输出0，因为WL0和BL3交点的晶体管是导通的，将输出短路到0。

OR

“也存在一个OR结构，但它与NOR结构的唯一区别在于晶体管连接到VCC而不是VSS”

NAND

这些是NOR ROM的逻辑反向版本。它们不是通过某种开关并行地将线路拉低，而是将开关串联起来。通过选择非选定行中的所有开关来激活它们，该区域内开关的有无决定了输出状态是否改变。例如，在上面的图中，输出位线连接有一个上拉晶体管。

假设WL1-3被激活，但WL0没有。BL0将输出0，因为该线路上的所有晶体管（仅在WL2处的那个）都导通，导致BL0被拉低到地。类似地，BL1也输出0，因为WL1和WL3晶体管都导通，导致BL1被拉低。然而，BL3输出1，因为虽然WL3晶体管导通，但WL0晶体管没有导通，所以BL3保持在高电平状态。

Technology

实现上述开关有几种方法。通常，这些是通过操纵掩模层来完成的，但也存在后制造技术（例如：激光ROM）。

Active layer-有源层

• 定义：有源层是半导体器件中用于产生和控制电流的区域。在MOSFET等场效应晶体管中，有源层通常指的是沟道区域，它位于栅极下方，是电子或空穴在电场作用下流动的主要通道。
• 在芯片后端的作用：虽然“有源层”这一术语更多地与前端工艺（如晶体管制造）相关联，但在芯片后端设计中，有源层的布局和连接方式也直接影响着芯片的整体性能。后端设计师需要确保有源层与金属层之间的正确连接，以实现电路功能的正确实现。

综上所述，Implanted、Metal、Contact layer、Active layer等术语在芯片后端设计中各具特色，共同构成了芯片的物理实现基础。通过精确控制这些层的形成和连接方式，可以确保芯片具有优异的性能和可靠性。

Contact layer-接触层

如果采用现代CMP（化学机械抛光）工艺，则通常需要进行去层处理，但较旧的ROM则可以通过金属层看到接触点。在上面的图像中，形成了许多晶体管，但只有少数几个是实际连接的。连接到位线的晶体管形成了驱动晶体管，如果其中有任何一个导通，就会将输出拉低。

Metal-金属层

• 定义：金属层是芯片内部用于信号传输和电源分配的导电层。这些金属层通常由铝、铜或其他导电材料制成，通过在芯片的不同部分之间布线，实现电路功能。
• 在芯片后端的作用：金属层在芯片后端设计中起着至关重要的作用。它们不仅用于传输电信号，将各个功能单元连接起来，实现逻辑运算和数据处理；还负责提供芯片内各个功能单元的电源和接地，确保电路的正常工作。此外，金属层还具有一定的散热和电磁屏蔽功能。

光学读取方式很简单。在上面的图像中，到处都形成了晶体管。然而，其中的一些晶体管通过在它们上面放置金属而被永久桥接，始终导通。

从理论上讲，我想象几个晶体管之间的短路接触是不必要的。例如，左边的上面三个接触点。中间的接触点实际上没有做任何事，因为周围的两个晶体管都被旁路了。

Implanted-离子注入

• 定义：离子注入是一种半导体掺杂技术，通过在硅片上注入特定种类的离子（如硼、磷、砷等），来改变硅片的导电性能。这些离子在硅片中占据晶格位置，形成替位式杂质，从而改变硅片的掺杂浓度和类型。
• 在芯片后端的作用：在芯片制造过程中，离子注入常用于形成晶体管的源极、漏极区域，以及调整晶体管的阈值电压等。通过精确控制离子注入的剂量和能量，可以实现对晶体管性能的精细调控。

原图说明：“带有离子注入编程的MOS NOR ROM的配置和布局。这种类型的存储器提供了高水平的安全保护，防止光学读取。”

离子注入ROM的工作原理基本上是从一个具有正常工作晶体管网格的掩模开始。然后，其中一些晶体管会经历额外的轰击，以改变其阈值电压。

在上述示例中，阈值电压被提高，使得无论施加什么栅极电压，晶体管都处于关闭状态。这与耗尽型晶体管不同，耗尽型晶体管在正常情况下是导通的，当施加偏置时才会关闭。

Reading out

由于这些（信息）在显微镜下也难以直接观察，因此在旧芯片上读取这些信息也可能颇具挑战性。

电子分析-Electronic

尝试通过研究芯片内部的电路结构来发现测试模式、故障等。这种方法已成功应用于如N64 CIC等芯片的“数据提取”。

光学分析-Optical

通常，这种掺杂水平的差异在肉眼下是不可见的。然而，我注意到，植入区域的外延层会有凹陷，这些凹陷在斜射光照明下可以观察到。利用这种高度差异，通过斜射光照明、共焦显微镜等技术，可能能够读取植入式掩模ROM的内容。

染色法-Staining

这通常是读取此类信息的首选方法。关于使用Dash蚀刻进行染色的详细信息，请参考此页面。虽然其他混合物也可能产生结果，但这种方法是行业内最标准、最常用的。

扫描电容显微镜（SCM）

这是一种类似于原子力显微镜（AFM）的技术，通过测量由于掺杂引起的电容变化来工作。据推测，这种方法可能适用于ROM的分析，但目前我们还没有这方面的确凿数据支持。

扫描微波阻抗显微镜（SMIM）

关于扫描微波阻抗显微镜的更多信息，请参考：链接。

虽然据推测这种方法可能适用于ROM的分析，但目前我们同样缺乏确凿的数据支持。

能量色散X射线光谱（EDS）

我与人讨论过这个问题，他们认为掺杂剂的浓度可能太低，以至于无法被EDS检测到。如果有人能实际进行扫描并验证这一点，那将是非常有价值的。

Examples

Nintendo 6102 NOR implant ROM

Motorola MCM6570 metal gate NAND ROM

TI TMS5200NL metal gate NAND ROM

Creative Technology CT1741 metal NAND ROM

基于金属的NAND掩模ROM。与上述类似，但采用更小的工艺，并且始终存在触点。

Motorola MC68010P8 active NOR ROM

RSA SecurID 1C vs 2C

CBM 65CE02 active NOR ROM

Bandai Tamagotchi metal NOR ROM

HK HK628 active metal gate NAND ROM

Intel 80486DX

解码

我创建了SiliconAnalysis GitHub组，旨在将各种杂项工具整合到一个推荐的工具链中。从高层次来看，流程大致如下：

1. 生成空间等效的1和0的二维数组：使用某个工具生成一个空间上与原始数据等效的、由1和0组成的二维数组。

2. 单独使用rompar：rompar是一个工具，可以用于解码或分析ROM数据。在这一步中，我们将rompar作为单独的解码工具来使用。

3. 使用djangoMonkeys进行众包：djangoMonkeys是一个平台，可以用于众包数据处理和分析任务。在这一步中，我们将利用djangoMonkeys来收集和处理来自多个用户的解码结果或数据输入。

4. 生成CV训练数据：上述两个工具（rompar和djangoMonkeys）都可以生成用于计算机视觉（CV）训练的数据。这些数据可以用于训练机器学习模型，以提高解码的准确性或自动化程度。

5. 输入到zorrom库进行解码为二进制：将处理后的数据输入到zorrom库中，zorrom是一个专门用于解码ROM数据的库，它能够将输入的数据解码成二进制形式。

6. 了解如何排序位：在解码过程中，了解如何正确地排序位是非常重要的。因为ROM数据中的位可能不是按照线性的顺序排列的，而是根据特定的布局或模式进行排列。zorrom库或相关的解码工具需要知道这种排列模式，以便能够准确地恢复出原始的数据或指令。

References

• “Semi-invasive attacks - A new approach to hardware security analysis.” Sergei P. Skorobogatov.
• “Image decode Project”: http://www.progettoemma.net/dump/

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