Демократизация дизайна микросхем
Поскольку 3-нанометровый технологический узел приближается к производственной готовности, стоимость разработки микросхем для него поднялась еще на одну ступень.
Тем не менее, стремление к демократизации дизайна микросхем усиливается: доведение его до более широкого сообщества инженеров, как профессиональных, так и любителей. Это может показаться невыполнимой задачей, но движение работает над гораздо более старыми технологиями, поскольку они постепенно становятся более доступными.
Это далеко не так драматично, как закон Мура для чипов большого объема, но кривая обучения кремнию работает также и для зрелых процессов, особенно в отношении предварительных затрат, таких как изготовление масок. На момент введения полный набор масок для 180-нм техпроцесса легко мог стоить 300,000 130 долларов, а для XNUMX-нм - более полумиллиона долларов. Сегодня картина совершенно иная. Глобальный Полупроводниковое Проведенный ассоциацией отраслевой обзор показал, что за последние два года цены на комплекты масок с 180-нм фильтром не превышали 60,000 80,000 долларов США, а зачастую и ниже 130 XNUMX долларов США для комплектов с длиной волны XNUMX нм.
Еще до того, как маски зрелого процесса упали в цене, одним из недорогих способов создания прототипов ASIC и даже мелкосерийного производства была многопроектная пластина (MPW) или «челнок», если использовать название, одобренное литейной компанией TSMC. При этом используется разница между размером большинства коммерческих интегральных схем (ИС) и площадью сетки нитей, которую литографический инструмент использует для печати элементов на поверхности пластины. Вы можете получить множество рисунков, которые занимают от 10 до квадратных миллиметров на сетке, которая может иметь размер 600 квадратных миллиметров. С другой стороны, количество чипов, которые вы можете выбрать, может быть ограничено несколькими десятками, но потенциально достаточно, чтобы довести проект до такой степени, когда внешнее финансирование станет вариантом.
Набор масок - далеко не единственная первоначальная инженерная стоимость. Инструменты и IP жизненно важны для любого дизайна, который на более высоком уровне легко достигает миллионов. Один из вариантов для бедных дизайнеров - это недорогие инструменты, такие как пакет Tanner, продаваемый Siemens Digital Industries Software и IP. Arm, например, в начале этого месяца пересмотрела свою программу DesignStart, предложив доступ к выбранным ядрам, ориентированным на микроконтроллеры, без предварительной оплаты лицензии, а только лицензионные платежи после производства.
Другие действия отражают то, что происходило во многих частях разработки программного обеспечения с такими проектами, как Eclipse: создание среды проектирования на основе инструментов с открытым исходным кодом. Многие команды разработчиков микросхем уже частично используют открытый исходный код, используя язык моделирования SystemC, а также язык программирования Python, который пользуется популярностью для управления тестовыми жгутами, используемыми при проверке RTL.
Открытые инициативы
Потенциально важной инициативой является инициатива OpenRoad американского исследовательского агентства DARPA, направленная на создание более полного набора инструментов проектирования с открытым исходным кодом. Профессор Эндрю Канг из Калифорнийского университета в Сан-Диего и главный исследователь проекта предусматривает среду, которая может автоматически планировать и настраивать различные конструкции микросхем за счет комбинации машинного обучения и того, что он называет «экстремальным разделением», которое разделяет микросхемы во множество небольших независимо оптимизированных модулей.
Хотя инженеры по верификации приняли различные формы открытого исходного кода, камни преткновения для его принятия становятся тем больше, чем ближе вы подходите к ленте. Самая большая проблема заключается в наборах для проектирования процессов (PDK), предоставляемых литейными заводами, которые ревностно защищены соглашениями о неразглашении и запрещают любое совместное использование.
Рисунки вверху и внизу: Инфраструктура тестирования Caravel, разработанная Antmicro, предоставляет кольцо портов ввода-вывода и тестовых портов, администрируемых встроенным ядром RISC-V.
«Efabless не смогла выпустить полностью повторно используемый результат», - отмечает Анселл. «Кто-то вроде меня не мог смотреть, как что-то было реализовано в воротах. В этой индустрии существует проблемное отношение к обмену информацией ».
Анселл говорит, что Google заинтересован в возможности делиться знаниями на том основании, что это ускоряет прогресс в целом. «Поскольку действие закона Мура замедляется, потребуются новые инновационные решения, чтобы удовлетворить постоянно растущий спрос на вычисления», - добавляет он.
Предоставление более широкому сообществу доступа к кремниевым конструкциям может предоставить возможности для создания новых методов вычислений, которые с меньшей вероятностью появятся в результате традиционных исследований и разработок. Чтобы способствовать этому, компания Ansell начала убеждать литейные предприятия открыть свои PDK. «Я разговаривал со многими литейными заводами. И многие литейщики смеялись надо мной ».
Одна из литейных компаний пришла в голову к этой идее: Skywater, компания, владеющая фабрикой в Миннесоте, принадлежащей Cypress Semiconductors несколько лет назад. «Мы смогли прийти к соглашению, которое позволило нам выпустить 130-нм PDK под лицензией с открытым исходным кодом», - говорит Анселл. PDK, загружаемый с Github, использует лицензию Apache 2.0 и может быть клонирован любым пользователем, «не спрашивая моего разрешения или разрешения Skywater. PDK с открытым исходным кодом означает, что у нас могут быть ASIC с полностью открытым исходным кодом ».
Затем Google и eFabless приступили к созданию сервиса MPW, который расширяет возможности проектирования ASIC для людей, не имеющих десятков тысяч долларов, чтобы получить что-то взамен от фабрики. Чтобы получить право на бесплатные микросхемы, дизайнеры должны быть готовы не просто создавать свои собственные проекты с открытым исходным кодом, они также должны быть готовы предоставить образцы пользователям, которые заинтересованы в работе с дизайном и полученным кремнием. «Ваш проект должен иметь открытый исходный код вплоть до GDS, - говорит Анселл.
Шаттл вернет около сотни образцов, что, по мнению Ansell, достаточно, чтобы пользователи не беспокоились о предоставлении другим пользователям кремния по запросу и пытались реализовать возможности совместного использования оборудования с открытым исходным кодом. «Открытый исходный код упрощает взаимодействие людей. Это позволяет людям совершать действия, которые раньше считались слишком рискованными. Это позволяет легко и дешево потерпеть неудачу и извлечь уроки из своих неудач ».
ограничения
Еще одним ограничением является требование использовать тестовую инфраструктуру Caravel, разработанную Antmicro. Это обеспечивает кольцо портов ввода-вывода и тестовых портов, администрируемых встроенным ядром RISC-V. «Если вы с самого начала создаете тестовый чип, вам понадобится что-то вроде этого», - отмечает технический директор и соучредитель Efabless Мохаммед Кассем. В середине этого кольца ввода-вывода находится отверстие размером 10 квадратных миллиметров для пользовательского кремния, которое можно использовать для чего угодно без оплаты.
Хотя эта область относительно невелика, Анселл говорит, что сложные цифровые конструкции достижимы, поскольку 130-нм технология может обеспечить более 1.5 миллиона ворот. «Люди сильно недооценивают цифровые возможности старых узлов, потому что в наши дни они в основном используются для маломощных и аналоговых конструкций», - отмечает он.
Прием заявок на первый запуск в Skywater по 130-нм техпроцессу завершился в ноябре 2020 года, а второй закрывается для подачи заявок в середине июня, при этом части второго запуска будут доставлены владельцам проектов в начале декабря. В ближайшем будущем Google профинансирует шесть шаттлов. Efabless также предлагает оплачиваемую MPW командам разработчиков, которые не хотят использовать полностью открытый аппаратный путь.
Первый шаттл был разработан такими компаниями, как IBM и Quicklogic.
«Но самым захватывающим было то, что 60 процентов дизайнеров никогда раньше не делали ASIC», - говорит Анселл. «Успех программы SkyWater показывает, что существует огромный спрос на открытые решения, и теперь у нас появился некоторый первоначальный интерес со стороны других литейных производств».
В то время как работа над усовершенствованными узлами приводит к еще большему увеличению затрат на проектирование, хотя и с потенциально огромным вознаграждением, когда полученные чипы пойдут в производство, работа по демократизации дизайна может оказаться не менее важной для достижения прогресса в отрасли.