إضفاء الطابع الديمقراطي على تصميم الرقائق

مع اقتراب عقدة معالجة 3 نانومتر من الاستعداد للإنتاج، ارتفعت تكلفة تطوير الرقائق الخاصة بها بدرجة أخرى.

ومع ذلك، هناك دفعة متزايدة لإضفاء الطابع الديمقراطي على تصميم الرقائق: تقديمها إلى مجتمع أوسع من المهندسين، المحترفين والهواة على حد سواء. قد تبدو هذه مهمة مستحيلة، لكن الحركة تعمل على تقنيات أقدم بكثير حيث أصبح الوصول إليها أكثر سهولة تدريجياً.

إنه ليس دراماتيكيًا مثل قانون مور للرقائق كبيرة الحجم، لكن منحنى تعلم السيليكون يعمل مع العمليات الناضجة أيضًا، خاصة بالنسبة للتكاليف الأولية مثل صنع الأقنعة. عند المقدمة، يمكن أن يكلف القناع الكامل لعملية 180 نانومتر بسهولة 300,000 ألف دولار ويصل إلى أكثر من نصف مليون دولار مقابل 130 نانومتر. اليوم الصورة مختلفة تماما. العالمية أشباه الموصلات وجد استطلاع الصناعة الذي أجرته الجمعية على مدار العامين الماضيين أن أسعار مجموعة الأقنعة 180 نانومتر لم تكن تزيد عن 60,000 ألف دولار وغالبًا ما تكون أقل من 80,000 ألف دولار لمجموعات 130 نانومتر.

حتى قبل انخفاض أسعار الأقنعة الناضجة، كانت إحدى الطرق منخفضة التكلفة للنماذج الأولية لـ ASIC وحتى التصنيع منخفض الحجم تكمن في الرقاقة متعددة المشاريع (MPW) أو "المكوك"، لاستخدام الاسم الذي يفضله مسبك TSMC. يستفيد هذا من الفارق بين حجم معظم الدوائر المتكاملة التجارية (ICs) ومساحة الشبكة التي تستخدمها أداة الطباعة الحجرية لطباعة الميزات على سطح الرقاقة. يمكنك الحصول على الكثير من التصميمات التي تتراوح مساحتها من 10 إلى مليمتر مربع على شبكاني قد يصل حجمه إلى 600 مليمتر مربع. من ناحية أخرى، قد يقتصر عدد الرقائق التي يمكنك اختيار تلقيها على بضع عشرات فقط، ولكن من المحتمل أن يكون كافيًا لإنجاز المشروع إلى النقطة التي يكون فيها التمويل الخارجي خيارًا.

مجموعة الأقنعة بعيدة كل البعد عن التكلفة الهندسية الأولية الوحيدة. تعد الأدوات والملكية الفكرية أمرًا حيويًا لأي تصميم، والذي يصل بسهولة إلى الملايين في النهاية العليا. أحد الخيارات المتاحة للمصممين الذين يعانون من فقر المال يكمن في أدوات منخفضة التكلفة، مثل مجموعة Tanner التي تبيعها شركة Siemens Digital Industries Software and IP. على سبيل المثال، أعادت شركة Arm تنظيم برنامج DesignStart الخاص بها في وقت سابق من هذا الشهر، مما يتيح الوصول إلى مجموعة مختارة من النوى الموجهة نحو وحدات التحكم الدقيقة دون المطالبة برسوم ترخيص مسبقة، فقط حقوق الملكية بعد الإنتاج.

وتعكس الأنشطة الأخرى ما حدث في أجزاء كثيرة من تطوير البرمجيات بمشاريع مثل Eclipse: بناء بيئة تصميم حول أدوات مفتوحة المصدر. تستخدم العديد من فرق تصميم الرقائق المصدر المفتوح جزئيًا بالفعل، من خلال لغة النمذجة SystemC بالإضافة إلى لغة برمجة Python، التي وجدت تفضيلًا للتحكم في أدوات الاختبار المستخدمة في التحقق من RTL.

مبادرات مفتوحة المصدر

إحدى المبادرات المهمة المحتملة هي مبادرة OpenRoad التابعة لوكالة الأبحاث الأمريكية DARPA، والتي تهدف إلى بناء مجموعة أكثر شمولاً من أدوات التصميم مفتوحة المصدر. يتصور البروفيسور أندرو كانج من جامعة كاليفورنيا في سان دييغو والباحث الرئيسي في المشروع بيئة يمكنها وضع وضبط مجموعة من تصميمات الرقائق تلقائيًا من خلال مزيج من التعلم الآلي وما يسميه "التقسيم الشديد"، الذي يقسم العالم. شريحة إلى العديد من الوحدات الصغيرة المحسنة بشكل مستقل.

على الرغم من أن مهندسي التحقق قد تبنوا أشكالًا مختلفة من المصادر المفتوحة، إلا أن العقبات التي تحول دون اعتمادها تصبح أكبر كلما اقتربت من التخلص من الشريط. وتكمن المشكلة الأكبر في مجموعات تصميم العمليات (PDKs) التي توفرها المسابك والتي تتمتع بحماية شديدة بموجب اتفاقيات عدم الإفصاح والتي تحظر أي مشاركة.

الأشكال أعلاه وأدناه: توفر البنية التحتية لاختبار Caravel، التي طورتها شركة Antmicro، حلقة من منافذ الإدخال/الإخراج والاختبار تتم إدارتها بواسطة نواة RISC-V مدمجة

للحصول على مثال لهذه المشكلة خلال ندوة نظمتها جمعية دوائر الحالة الصلبة التابعة لـ IEEE، أشار تيم أنسيل، مهندس برمجيات جوجل، إلى وحدة التحكم الدقيقة Ravenna RISC-V التي طورتها شركة Efabless، وهي شركة ناشئة تحاول إنشاء سوق للدوائر ذات الحالة الصلبة. مصدر IP والسيليكون. تم تصنيع وحدة التحكم الدقيقة باستخدام عملية XH018 الخاصة بـ X-Fab، وهي عبارة عن تصميم مفتوح المصدر باستثناء التصميم المادي، الذي يستخدم PDK الخاص بالمسبك وIP التناظري.

ويشير أنسيل إلى أن "Efabless لم يتمكن من إصدار نتيجة قابلة لإعادة الاستخدام بالكامل". "شخص مثلي لم يتمكن من رؤية كيفية تنفيذ شيء ما على البوابات. هناك موقف إشكالي في هذه الصناعة حول المشاركة.

ويقول أنسيل إن جوجل تحرص على القدرة على تبادل المعرفة على أساس أنها تسرع التقدم بشكل عام. ويضيف: "مع تباطؤ قانون مور، ستكون هناك حاجة إلى حلول مبتكرة جديدة لمواكبة الطلب المتزايد باستمرار على العمليات الحسابية".

إن تزويد مجتمع أوسع بإمكانية الوصول إلى تصميم السيليكون قد يوفر طرقًا لإنشاء طرق جديدة للحساب من غير المرجح أن يتم تحقيقها من خلال البحث والتطوير التقليدي. وللمساعدة في دفع ذلك للأمام، بدأ Ansell في محاولة إقناع المسابك بفتح PDKs الخاصة بهم. "لقد تحدثت إلى الكثير من المسابك. ولقد سخر مني الكثير من المسابك."

توصلت إحدى المسبكات إلى الفكرة: Skywater، وهي شركة تدير مصنعًا في ولاية مينيسوتا كانت مملوكة لشركة Cypress Semiconductors منذ بضع سنوات مضت. يقول أنسيل: "لقد تمكنا من التوصل إلى اتفاق يسمح لنا بإطلاق PDK بحجم 130 نانومتر بموجب ترخيص مفتوح المصدر". يستخدم PDK، القابل للتنزيل من Github، ترخيص Apache 2.0 ويمكن لأي مستخدم استنساخه "دون الحاجة إلى طلب إذني أو الاضطرار إلى طلب إذن Skywater. إن PDK مفتوح المصدر يعني أنه يمكننا الحصول على ASICs مفتوحة المصدر بالكامل.

شرعت Google وeFabless بعد ذلك في بناء خدمة MPW التي تعمل على توسيع إمكانية تصميم ASIC للأشخاص الذين لا يملكون عشرات الآلاف من الدولارات للحصول على شيء ما من القوات المسلحة البوروندية. للتأهل للحصول على الرقائق المجانية، يجب على المصممين أن يكونوا مستعدين ليس فقط لجعل تصميماتهم الخاصة مفتوحة المصدر، بل يجب أيضًا أن يكونوا مستعدين لتقديم عينات للمستخدمين المهتمين بالعمل مع التصميم والسيليكون الناتج. يقول أنسيل: "يجب أن يكون تصميمك مفتوح المصدر وصولاً إلى نظام التوزيع العالمي".

سيعيد المكوك حوالي مائة عينة، وهو ما يراه أنسيل عددًا كبيرًا بما يكفي للمستخدمين حتى لا يقلقوا بشأن تزويد مستخدمين آخرين بالسيليكون عند الطلب ومحاولة توفير إمكانيات المشاركة للأجهزة مفتوحة المصدر. "المصدر المفتوح يجعل من السهل على الأشخاص التعاون. يتيح ذلك للأشخاص تجربة الأشياء التي كانوا يعتقدون أنها محفوفة بالمخاطر للغاية. إنه يجعل الفشل أمرًا سهلاً ورخيصًا، ويجعل التعلم من إخفاقاتك أمرًا سهلاً ورخيصًا.

القيود

هناك قيد آخر وهو شرط استخدام البنية التحتية لاختبار Caravel التي طورتها شركة Antmicro. يوفر هذا حلقة من منافذ الإدخال/الإخراج ومنافذ الاختبار التي تتم إدارتها بواسطة نواة RISC-V مدمجة. يقول محمد قاسم، المدير التنفيذي للتكنولوجيا والمؤسس المشارك لشركة Efabless: "إذا كنت تقوم ببناء شريحة اختبار لتبدأ بها، فأنت بحاجة إلى شيء مثل هذا". يوجد في منتصف حلقة الإدخال/الإخراج فتحة بحجم 10 ملليمترات مربعة للسيليكون المخصص للمستخدم والذي يمكن استخدامه في أي شيء دون مقابل.

على الرغم من أن المنطقة صغيرة نسبيًا، إلا أن أنسيل يقول إن التصميمات الرقمية المعقدة يمكن تحقيقها حيث يمكن لـ 130 نانومتر توفير أكثر من 1.5 مليون بوابة. ويشير إلى أن "الناس يقللون إلى حد كبير من القدرات الرقمية للعقد القديمة لأنها تستخدم في الغالب هذه الأيام لاستهداف التصميمات منخفضة الطاقة والتصميمات التناظرية".

تم إغلاق التقديمات للتشغيل الأول في Skywater بعملية 130 نانومتر في نوفمبر 2020، وتم إغلاق التقديمات الثانية في منتصف يونيو، مع تسليم الأجزاء من الجولة الثانية إلى أصحاب المشروع في أوائل ديسمبر. وتقوم جوجل بتمويل ستة من المكوكات في المستقبل القريب. تقدم Efabless أيضًا برنامج MPW مدفوع الأجر لتصميم الفرق التي لا ترغب في الالتزام بمسار الأجهزة مفتوحة المصدر بالكامل.

تضمن المكوك الأول تصميمات من شركات مثل IBM وQuicklogic.

يقول أنسيل: "لكن الشيء الأكثر إثارة هو أن 60% من المصممين لم يسبق لهم إجراء ASIC من قبل". "يُظهر نجاح برنامج SkyWater وجود طلب كبير على الحلول المفتوحة، وقد حظينا الآن ببعض الاهتمام الأولي من المسابك الأخرى."

في حين أن العمل على العقد المتقدمة يدفع تكاليف التصميم إلى الارتفاع بشكل متزايد، على الرغم من المكافآت الضخمة المحتملة عندما تدخل الرقائق الناتجة إلى الإنتاج، فإن العمل على إضفاء الطابع الديمقراطي على التصميم قد يكون له نفس القدر من الأهمية لدفع التقدم في الصناعة.