Çip tasarımının demokratikleştirilmesi

3nm işlem düğümü üretime hazır olmaya yaklaştıkça, bunun için çip geliştirme maliyeti bir miktar daha arttı.

Ancak çip tasarımını demokratikleştirmeye yönelik artan bir baskı var: bunu hem profesyonel hem de amatör mühendislerden oluşan daha geniş bir topluluğa ulaştırmak. Bu imkansız bir görev gibi görünebilir ancak hareket, giderek daha erişilebilir hale geldikçe çok daha eski teknolojiler üzerinde çalışıyor.

Yüksek hacimli çipler için Moore Yasası kadar dramatik olmasa da silikon öğrenme eğrisi olgun süreçler için de işe yarıyor, özellikle de maske yapımı gibi ön maliyetler için. Başlangıçta, 180 nm süreci için tam maske seti kolayca 300,000 dolara mal olabiliyordu ve 130 nm için yarım milyon doların üzerine çıkabiliyordu. Bugünkü tablo oldukça farklı. Küresel Yarıiletken Derneğin son iki yıldaki sektör araştırması, 180 nm maske seti fiyatlarının 60,000 $'dan fazla olmadığını ve 80,000 nm setler için genellikle 130 $'ın altında olduğunu ortaya çıkardı.

Olgun proses maskelerin fiyatı düşmeden önce bile, ASIC prototiplemesine ve hatta düşük hacimli üretime yönelik düşük maliyetli bir yol, çok projeli levha (MPW) veya dökümhane TSMC'nin tercih ettiği isimle "mekik"te yatıyordu. Bu, çoğu ticari entegre devrenin (IC) boyutu ile litografi aracının levhanın yüzeyine özellikler yazdırmak için kullandığı retikül alanı arasındaki farktan yararlanır. 10 milimetrekareyi ölçebilecek bir retikül üzerinde 600 ila milimetrekare kadar yer kaplayan birçok tasarım elde edebilirsiniz. Öte yandan, almayı seçebileceğiniz çip sayısı sadece birkaç düzine ile sınırlı olabilir, ancak potansiyel olarak bir projeyi dış finansmanın bir seçenek olduğu noktaya getirmek için yeterli olabilir.

Maske seti, tek ön mühendislik maliyeti olmaktan çok uzaktır. Araçlar ve fikri mülkiyet, üst uçta kolayca milyonlara ulaşan herhangi bir tasarım için hayati öneme sahiptir. Nakit sıkıntısı çeken tasarımcılar için bir seçenek, Siemens Digital Industries Software ve IP tarafından satılan Tanner paketi gibi daha düşük maliyetli araçlarda yatmaktadır. Örneğin Arm, bu ayın başlarında DesignStart programını yeniden düzenledi ve mikro denetleyici odaklı çekirdeklerin bir kısmına ön lisans ücreti talep etmeden, yalnızca üretim sonrası telif ücreti talep etmeden erişim sağladı.

Diğer etkinlikler, Eclipse gibi projelerle yazılım geliştirmenin birçok bölümünde yaşananları yansıtıyor: açık kaynak araçlar etrafında bir tasarım ortamı oluşturmak. Çip tasarım ekiplerinin çoğu, RTL doğrulamasında kullanılan test donanımlarının kontrolünde tercih edilen Python programlama dilinin yanı sıra SystemC modelleme dili aracılığıyla halihazırda kısmen açık kaynak kullanıyor.

Açık kaynak girişimleri

Potansiyel olarak önemli bir girişim, daha kapsamlı bir açık kaynak tasarım araçları seti oluşturmayı amaçlayan ABD araştırma ajansı DARPA'nın OpenRoad girişimidir. San Diego'daki Kaliforniya Üniversitesi'nden Profesör Andrew Kahng ve projenin baş araştırmacısı, makine öğrenimi ve kendisinin "aşırı bölümleme" olarak adlandırdığı şeyin bir kombinasyonu yoluyla bir dizi çip tasarımını otomatik olarak düzenleyebilecek ve ayarlayabilecek bir ortam öngörüyor. bağımsız olarak optimize edilmiş birçok küçük modüle entegre edin.

Doğrulama mühendisleri açık kaynağın çeşitli biçimlerini benimsemiş olsa da, banttan çıkarma işlemine yaklaştıkça benimsenmesinin önündeki engeller daha da büyüyor. En büyük sorun, ifşa etmeme anlaşmalarıyla kıskançlıkla korunan ve her türlü paylaşımı yasaklayan dökümhaneler tarafından sağlanan proses tasarım kitlerinde (PDK'ler) yatmaktadır.

Yukarıdaki ve aşağıdaki şekiller: Antmicro tarafından geliştirilen Caravel test altyapısı, yerleşik bir RISC-V çekirdeği tarafından yönetilen bir I/O halkası ve test bağlantı noktaları sağlar

IEEE'nin Solid-State Circuits Society tarafından düzenlenen bir seminerde konuya bir örnek olarak, Google yazılım mühendisi Tim Ansell, açık bir pazar yeri kurmaya çalışan bir start-up olan Efabless tarafından geliştirilen Ravenna RISC-V mikrokontrolörüne dikkat çekti. kaynak IP ve silikon. Mikrokontrolör, X-Fab'ın XH018 süreci üzerinde yapıldı ve dökümhanenin PDK'sını ve analog IP'sini kullanan fiziksel düzen haricinde açık kaynaklı bir tasarımdır.

Ansell, "Efabless tamamen yeniden kullanılabilir bir sonuç yayınlayamadı" diye belirtiyor. “Benim gibi biri kapılarda bir şeyin nasıl uygulandığına bakamadı. Bu sektörde paylaşım konusunda sorunlu bir tutum var” dedi.

Ansell, Google'ın genel olarak ilerlemeyi hızlandırması temelinde bilgi paylaşma becerisine meraklı olduğunu söylüyor. "Moore yasasının yavaşlaması nedeniyle, giderek artan hesaplama talebine ayak uydurmak için yeni yenilikçi çözümlere ihtiyaç duyulacak" diye ekliyor.

Silikon tasarımına erişime sahip daha geniş bir topluluğun sağlanması, geleneksel Ar-Ge yoluyla ortaya çıkma olasılığı daha düşük olan yeni hesaplama yöntemlerinin yaratılmasına yönelik yollar sağlayabilir. Bunu ileriye taşımak için Ansell, dökümhaneleri PDK'larını açmaya ikna etmeye başladı. “Birçok dökümhaneyle konuştum. Ve birçok dökümhane bana güldü.”

Bir dökümhane bu fikri aklına getirdi: Birkaç yıl öncesine kadar Cypress Semiconductors'a ait Minnesota'da bir fabrika işleten Skywater şirketi. Ansell, "130 nm'lik bir PDK'yı açık kaynak lisansı altında piyasaya sürmemize izin veren bir anlaşmaya varmayı başardık" diyor. Github'dan indirilebilen PDK, Apache 2.0 lisansı kullanıyor ve herhangi bir kullanıcı tarafından "benim iznimi veya Skywater'ın iznini istemeye gerek kalmadan" kopyalanabilir. Açık kaynaklı bir PDK, tamamen açık kaynaklı ASIC'lere sahip olabileceğimiz anlamına geliyor."

Google ve eFabless daha sonra ASIC tasarımı olasılığını fabrikadan bir şey almak için on binlerce doları olmayan insanlara yayan bir MPW hizmeti oluşturmaya başladı. Ücretsiz çiplere hak kazanmak için tasarımcıların yalnızca kendi tasarımlarını açık kaynak yapmaya değil, aynı zamanda tasarımla ve ortaya çıkan silikonla çalışmakla ilgilenen kullanıcılara örnekler sunmaya da hazırlıklı olmaları gerekiyor. Ansell, "Tasarımınızın GDS'ye kadar açık kaynak olması gerekiyor" diyor.

Mekik yaklaşık yüz numune geri getirecek ve Ansell bunu, kullanıcıların talep üzerine diğer kullanıcılara silikon sağlama konusunda endişelenmemeleri ve açık kaynaklı donanımın paylaşım olanaklarını sunmaya çalışmaları için yeterince yüksek bir sayı olarak görüyor. "Açık kaynak insanların işbirliği yapmasını kolaylaştırıyor. Bu, insanların eskiden çok riskli olduğunu düşündükleri şeyleri denemelerine olanak tanır. Başarısız olmayı ve başarısızlıklarınızdan ders almayı kolay ve ucuz hale getiriyor."

Kısıtlamalar

Bir diğer kısıtlama ise Antmicro tarafından geliştirilen Caravel test altyapısının kullanılması gerekliliğidir. Bu, yerleşik bir RISC-V çekirdeği tarafından yönetilen bir I/O halkası ve test bağlantı noktaları sağlar. Efabless CTO'su ve kurucu ortağı Mohammed Kassem, "Başlangıçta bir test çipi oluşturuyorsanız buna benzer bir şeye ihtiyacınız var" diyor. Bu I/O halkasının ortasında kullanıcının özel silikonu için herhangi bir ücret ödemeden herhangi bir şey için kullanılabilecek 10 milimetre karelik bir delik bulunmaktadır.

Alan nispeten küçük olmasına rağmen Ansell, 130nm'nin 1.5 milyondan fazla kapı sunabilmesi nedeniyle karmaşık dijital tasarımların gerçekleştirilebileceğini söylüyor. "İnsanlar eski düğümlerin dijital yeteneklerini büyük ölçüde küçümsüyor çünkü bunlar günümüzde çoğunlukla düşük güç ve analog tasarımları hedeflemek için kullanılıyor" diye belirtiyor.

Skywater'da 130nm süreciyle ilgili ilk çalıştırma için başvurular Kasım 2020'de kapandı ve ikinci çalıştırma Haziran ortasında kapanacak ve bu ikinci çalıştırmadan parçalar Aralık ayı başında proje sahiplerine teslim edilecek. Google yakın gelecekte mekiklerden altısını finanse edecek. Efabless ayrıca tamamen açık kaynaklı donanım rotasına bağlı kalmak istemeyen tasarım ekiplerine ücretli MPW sunuyor.

İlk mekik, IBM ve Quicklogic gibi şirketlerin tasarımlarını içeriyordu.

Ansell, "Fakat en heyecan verici şey tasarımcıların yüzde 60'ının daha önce hiç ASIC yapmamış olmasıydı" diyor. "SkyWater programının başarısı, açık çözümlere yönelik büyük bir talebin olduğunu gösteriyor ve şu anda diğer dökümhanelerden de başlangıçta bir miktar ilgi gördük."

Gelişmiş düğümler üzerinde çalışmak tasarım maliyetlerini her zamankinden daha yüksek hale getirirken, ortaya çıkan çipler üretime girdiğinde potansiyel olarak büyük ödüllerle birlikte, tasarımın demokratikleştirilmesine yönelik ön uçta çalışmak, sektördeki ilerlemeyi yönlendirmek için eşit derecede önemli olduğunu kanıtlayabilir.