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谷歌的開源PDK計劃，推進(jìn)到90nm

發(fā)布時間：2022-08-09發(fā)布人：

谷歌的開源PDK計劃，推進(jìn)到90nm






據(jù)路透社報道，美國芯片制造商 SkyWater Technology Inc 和 Alphabet Inc的Google Public Sector 周四宣布，他們正在擴(kuò)展一個開源平臺，以設(shè)計可在 SkyWater 明尼蘇達(dá)工廠生產(chǎn)的芯片。


SkyWater 表示，美國國防部正在為該平臺的開發(fā)提供 1500 萬美元的資金。


SkyWater 首席執(zhí)行官 Thomas Sonderman 表示：“美國政府投資這項計劃的一個原因是，他們可以從中獲取大量開發(fā)成果?！?/p>


報道指出，芯片設(shè)計和制造是一個非常昂貴的過程。不僅被稱為電子設(shè)計自動化 (EDA) 的芯片設(shè)計軟件的許可費用昂貴，而且在制造設(shè)施中制造第一批測試芯片可能要花費數(shù)萬美元。


“我們希望此次合作能夠解決芯片設(shè)計和生產(chǎn)的真正歷史限制，無論是對于國防還是商業(yè)市場，因為研究人員可以獲得更好的可訪問性，開發(fā)人員可以更快、更坦誠地進(jìn)行探索。降低成本，”谷歌公共部門首席執(zhí)行官 Will Grannis 說。


Grannis說，谷歌公共部門是谷歌有限責(zé)任公司的營利性子公司，于 6 月成立，以更好地與政府和教育機(jī)構(gòu)合作。他說，芯片設(shè)計平臺將由谷歌提供支持，并在谷歌的云上運行。


這是谷歌和 SkyWater 合作的第二個芯片設(shè)計平臺項目。第一個是可以在 SkyWater 的 130 納米工藝上制造的芯片平臺。最新的一個是用于在 SkyWater 的 90 納米工藝上生產(chǎn)芯片。


Sonderman 表示，該平臺適用于智能家居產(chǎn)品等經(jīng)常使用的模數(shù)混合信號芯片。他說，這種芯片可以利用更大的晶體管，例如 90 納米，以降低生產(chǎn)成本。

由谷歌資助的開源PDK項目，

在Skywater跨出重要一步


SkyWater Technology和Efabless今天宣布了一系列由Google贊助的開源多項目晶圓（MPW）shuttles的首個流片，該shuttles由Efabless管理，由SkyWater制造。因為他們在這種伙伴關(guān)系中選擇了開源設(shè)計，為此設(shè)計者無需花錢就可以將其制作出來。設(shè)計提交流程開放了30天，在最初的兩周內(nèi)下載了1700次，并用光了所有40個可用位置。預(yù)計下一次MPW將從2021年中開始，在這此shuttles中將提供更多設(shè)計。這些設(shè)計利用了SkyWater的130nm開放式工藝設(shè)計套件，該套件已公開提供。

該應(yīng)用說明了將開放源代碼應(yīng)用于IC設(shè)計的所有級別以改善對資源的訪問的潛力，例如設(shè)計工具，IP和代工廠工藝設(shè)計套件（PDK），這些資源可以由大量具有專門技能的個人共享。為了促進(jìn)社區(qū)的廣泛參與，Efabless開發(fā)了Caravel，這是一種基于RISC-V的片上系統(tǒng)，其中包括支持用戶設(shè)計并充當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)測試工具的所有內(nèi)務(wù)處理功能。這進(jìn)一步減少了設(shè)計、原型制作和驗證的障礙。每個項目所有者將獲得四個開發(fā)板及其設(shè)計，以及用于其他用途的其他部件。

據(jù)了解，這個MPW的shuttles開放計劃吸引了來自學(xué)術(shù)界和商業(yè)組織的設(shè)計師。其中大約60％的項目設(shè)計是由軟件，F(xiàn)PGA和硬件開發(fā)人員（非IC專家）提交的，這表明將IC設(shè)計交到用戶手中會產(chǎn)生巨大的尚未開發(fā)的潛在興趣。通過啟用開源設(shè)計，該項目還說明了可以生成的設(shè)計的多樣性和創(chuàng)造性。提交的設(shè)計示例包括：OpenPOWER SoC、5個RISC-V SoC、加密貨幣ASIC、機(jī)器人應(yīng)用處理器、業(yè)余衛(wèi)星無線電收發(fā)器以及模擬/射頻和4個eFPGA。所有開放源代碼設(shè)計人員都將可以使用SkyWater的130 nm混合信號工藝（SKY130）來訪問生成的IP。設(shè)計人員將能夠利用Efabless平臺對這些設(shè)計，這些設(shè)計的派生產(chǎn)品以及將開源設(shè)計與傳統(tǒng)提供商的專有IP結(jié)合起來的新設(shè)計進(jìn)行原型設(shè)計。

SkyWater的SKY130工藝是一個混合信號CMOS技術(shù)，提供了許多通?？蛇x功能作為標(biāo)準(zhǔn)功能，當(dāng)中包括局部互連，SONOS非易失性存儲器和MIM電容器等。這為設(shè)計人員提供了廣泛的設(shè)計選擇靈活性。斯坦福大學(xué)，加州大學(xué)伯克利分校，普渡大學(xué)和開羅美國大學(xué)等幾所大學(xué)的教授已將SKY130工藝用作學(xué)術(shù)項目的基礎(chǔ)技術(shù)。

SkyWater技術(shù)開發(fā)和設(shè)計支持執(zhí)行副總裁John Kent表示：“借助設(shè)計工具和開源設(shè)計IP，來自世界各地的工程師正在協(xié)作并創(chuàng)建新內(nèi)容，同時以革命性的方式訪問設(shè)計和制造資源。工程師正在不斷完善和增加知識體系中的內(nèi)容。這既是行業(yè)首創(chuàng)，也是設(shè)計支持方面邁出的重要一步?！?/span>

Efabless首席技術(shù)官兼聯(lián)合創(chuàng)始人Mohamed Kassem說：“我們看到了近1100名社區(qū)成員的積極參與。” “在第一個MPW上，該項目使數(shù)十名新設(shè)計人員獲得了能力，并使他們能夠?qū)⑺麄兊南敕◣У焦杵稀＿@是通過專注于他們的新設(shè)計而實現(xiàn)的，這些新設(shè)計后來被集成到我們的標(biāo)準(zhǔn)線束SoC Caravel中。我們剛剛發(fā)布了第一條shuttles，我們期待硅驗證?！?/span>

谷歌聯(lián)合晶圓廠開源PDK，芯片設(shè)計新革命來了！



近日，Google和SkyWater合作發(fā)布生產(chǎn)開發(fā)套件PDK，這是同類產(chǎn)品中的第一個開放源代碼處理工具，使用此PDK，你可以在130nm節(jié)點的SkyWater晶圓廠生產(chǎn)芯片。盡管它是為較舊的130 nm節(jié)點設(shè)計的，但由于是史無前例的，所以說這是一項巨大的成就。人人都可以免費造芯，芯片設(shè)計的新革命來了！


  • 什么是PDK？對芯片設(shè)計的重要性



回顧過去20多年，摩爾定律一直在持續(xù)奮勇前行。取得這一成就的一個重要原因是晶圓代工廠不僅能夠持續(xù)創(chuàng)新硅工藝，而且能夠以最小的失敗風(fēng)險實現(xiàn)創(chuàng)新。那么，風(fēng)險降低的主要原因是什么呢？答案就是工藝設(shè)計套件(PDK)。從英特爾，三星和臺積電開始，它們都具有用于其硅制造的特定PDK，并且包含其節(jié)點的所有規(guī)范。

據(jù)Mentor對工藝設(shè)計套件的白皮書中寫道，20世紀(jì)80年代，半導(dǎo)體界發(fā)生了巨大的變化，無晶圓廠和以臺積電為代表的純晶圓廠開始誕生。純晶圓代工廠的出現(xiàn)，使得進(jìn)入半導(dǎo)體行業(yè)的成本和風(fēng)險不再令人望而卻步，也因此，無數(shù)的無晶圓廠設(shè)計公司紛紛加入市場。無晶圓廠模式在維持摩爾定律的長壽命中發(fā)揮了巨大作用。

要知道，在獨立晶圓代工廠變得可行之前，所有 IC 設(shè)計都與內(nèi)部可用的制造工藝緊密相連。

但是器件模型和仿真電路模擬器 (SPICE) 的出現(xiàn)，使得業(yè)界可以使用已預(yù)表征的元器件，這些元器件可以在更合理的時間內(nèi)作為一個系統(tǒng)一起仿真。正是這種看似微不足道的轉(zhuǎn)變，使得器件制造和表征與設(shè)計流程相分離成為可能，進(jìn)而使業(yè)界真正能夠創(chuàng)建基于更多元器件的復(fù)雜設(shè)計。制造不再需要在內(nèi)部進(jìn)行。設(shè)計人員可以利用已充分表征且已知可由外部晶圓代工廠制造的器件來快速輕松地給設(shè)計添加更多功能。與摩爾的預(yù)測行為保持同步的競賽就此揭幕，無晶圓廠革命由此開始！

但是僅預(yù)先表征還不夠，僅知道每個器件可以制造，并不意味著它們可以通過任何方式連接起來并且仍能作為一個整體加以制造。光刻效應(yīng)、化學(xué)機(jī)械研磨 (CMP)、粒子污染、工藝缺陷等制造問題，也會影響最終良率和性能。因此純晶圓代工廠必須找到一種辦法來讓設(shè)計人員放心，相信其充分設(shè)計的系統(tǒng)確實會以可接受（且有利可圖）的良率制造出來。

所以，后來的解決方案是引入設(shè)計規(guī)則和設(shè)計規(guī)則檢查 (DRC)，設(shè)計規(guī)則定義了特定晶圓代工廠的具體工藝的制造要求。設(shè)計規(guī)則檢查則用于確認(rèn)設(shè)計滿足所繪制幾何形狀的最小制造約束，并且?guī)椭脩舸_定哪些圖層表示哪些掩模以及相關(guān)的制造步驟（通過層映射）。電子設(shè)計自動化(EDA)工具的開發(fā)使設(shè)計人員能夠運行軟件來自動掃描版圖，找出違反設(shè)計規(guī)則的配置。

預(yù)先表征的器件模型和DRC這兩個要素的組合成為無晶圓設(shè)計的初始最低要求，也是我們現(xiàn)在所稱 PDK 的開端。

隨著時間推移PDK 已有很大發(fā)展，再與EDA基礎(chǔ)架構(gòu)相結(jié)合后，其能盡可能實現(xiàn)面向先進(jìn)工藝節(jié)點的片上系統(tǒng) (SoC) 設(shè)計的安全性和簡易性。但是，我們?nèi)匀徊粩嗦牭侥柖蓡淑娗庙懙牧餮裕O(shè)計人員對此也頗為擔(dān)心。但到目前為止，我們?nèi)栽谄届o地沿著摩爾定律的道路前進(jìn)，至少到 3 nm 的路徑是清晰的。原因何在？簡單來說，是因為這些新工藝都會帶有 PDK，而使用替代方案仍然需要承擔(dān)極大的風(fēng)險。

所以PDK在不同設(shè)計團(tuán)隊與制造商之間架起了橋梁，推動技術(shù)向前發(fā)展。可見PDK對芯片設(shè)計的重要性。


  • 谷歌與SkyWater開源PDK



SkyWater開源PDK是Google和SkyWater Technology Foundry之間的合作，提供了一個完全開源的流程設(shè)計套件和相關(guān)資源，可用于在SkyWater的工廠中創(chuàng)建可制造的設(shè)計。

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SkyWater開源PDK包含有關(guān)將設(shè)計套件與多種工具和設(shè)計流程一起使用以實現(xiàn)多種不同類型的ASIC創(chuàng)建的全面文檔。這包括帶有開源RAM，F(xiàn)PGA，PicoRV32和lowRISC ibex RISC-V內(nèi)核等的striVe系列完整ASIC參考設(shè)計。


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SkyWater開源PDK主要包含：有關(guān)在SKY130過程節(jié)點上創(chuàng)建可制造設(shè)備所需的設(shè)計規(guī)則的全面文檔。用于多個開源和專有設(shè)計流程的EDA工具支持文件。用于創(chuàng)建模擬設(shè)計的原始單元庫和模型。涵蓋一系列不同用例的多個標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字單元庫。使用PDK的多個文檔示例。

SKY130是一種成熟的180nm-130nm混合技術(shù)，最初由賽普拉斯半導(dǎo)體內(nèi)部開發(fā)，然后被拆分為SkyWater Technology，并為一般工業(yè)所用。SkyWater和Google的本次合作將使所有人都可以使用這項技術(shù)！截至2020年5月，該存儲庫的目標(biāo)是SKY130流程節(jié)點。如果SKY130過程節(jié)點發(fā)布成功，那么將來會有更多更先進(jìn)的技術(shù)節(jié)點可用。

SKY130過程節(jié)點技術(shù)堆棧包括：支持帶有5.0VI / O的內(nèi)部1.8V（可在2.5V下運行），1級本地互連，5級金屬，具有電感能力，具有較高的片狀rho多晶硅電阻器，可選的MiM電容器，包括SONOS縮小的電池，支持10V穩(wěn)壓電源，高壓漏極擴(kuò)展NMOS和PMOS。

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所述SKY130工藝節(jié)點具有是一個極其靈活的產(chǎn)品，其中包括許多通?？蛇x特征作為標(biāo)準(zhǔn)（特征如局部互連，SONOS功能，MIM電容器和更多）。這為設(shè)計人員提供了廣泛的設(shè)計選擇靈活性。

如果您的需求超出了SKY130工藝節(jié)點中的標(biāo)準(zhǔn)功能，SkyWater還可以實現(xiàn)工藝定制化，包括添加Nb，Ge，V2O5，碳納米管等特殊材料。Google和SkyWater一直在探索SkyWater開源PDK和SKY130過程節(jié)點中包含的新選項，從而為傳統(tǒng)設(shè)計問題提供新的創(chuàng)新解決方案。

那么130nm主要應(yīng)用在哪些領(lǐng)域？130nm工藝節(jié)點的典型用法是，首先圍繞2001-2002時間幀商業(yè)化并且現(xiàn)在主要在研究，小微控制器開發(fā)的區(qū)域中使用，和混合信號嵌入式設(shè)計如的IoT設(shè)備。

已經(jīng)創(chuàng)建了一個位于< j.mp/si130nm >的有效的Google文檔，以便于從研究人員，商業(yè)實體和其他團(tuán)隊使用相似大小的過程節(jié)點所做的工作中獲得啟發(fā)。由于制造工藝和材料的變化存在很大的限制和可能性，因此，所以不要假設(shè)130nm靈感文件中發(fā)現(xiàn)的精確結(jié)果可以在SKY130工藝節(jié)點上完全復(fù)制，這一點很重要。

Google和SkyWater目前將當(dāng)前內(nèi)容視為實驗性預(yù)覽 / alpha版本。盡管已使用SKY130工藝節(jié)點和派生此開源版本的PDK來創(chuàng)建許多已在商業(yè)上成功大量生產(chǎn)的設(shè)計，但目前不打算將開源PDK用于生產(chǎn)設(shè)置。它應(yīng)該可用于進(jìn)行測試芯片和初始設(shè)計驗證（但這不能保證）。Google，SkyWater和其合作伙伴目前正在進(jìn)行內(nèi)部驗證和測試設(shè)計，包括芯片驗證或發(fā)布的數(shù)據(jù)，并計劃發(fā)布這些結(jié)果。

像許多開源項目一樣，有多種方法可以獲得SkyWater開源PDK的支持。SkyWater創(chuàng)建了一個市場合作伙伴生態(tài)系統(tǒng)，能夠提供從設(shè)計到后端封裝和測試的支持。但是，Google并不提供使用SkyWater Open Source PDK的外部支持，而是按“原樣”分發(fā)此存儲庫，沒有任何明示或暗示的保證或條件。


  • 開源PDK的意義：任何人都可以免費制造芯片



過去，你想制造一款芯片要必須從芯片晶圓廠獲得過程設(shè)計套件（PDK），并且必須有足夠的錢來實際支付制造費用。谷歌此次和SkyWater的開源PDK，這將使設(shè)計人員可以在開放平臺上生產(chǎn)硅。

但是也有幾點要求，首先是芯片設(shè)計必須是公開的并且是開源的：你將通過向相關(guān)的Git存儲庫發(fā)送URL來提交您的作品。另一個是制程節(jié)點將為130nm。每個人都可以從生產(chǎn)線上獲得約100個組件，模具面積為10mm 2。

該項目由Google軟件工程師Tim Ansell領(lǐng)導(dǎo)，他自2008年以來一直在公司工作。到2020年7月上旬，谷歌將收集芯片生產(chǎn)的應(yīng)用程序。2020年11月將開始第一批芯片的直接批量生產(chǎn)，谷歌將為每個設(shè)計提供多達(dá)100個IC的完全免費的芯片制造運行。該項目的第二階段計劃于2021年開始，到那時可以提供更多的成本。SkyWater PDK旨在使公司更容易進(jìn)入半導(dǎo)體行業(yè)。


  • SkyWater是誰？



SkyWater在微電子行業(yè)有著悠久的歷史。SkyWater設(shè)施最初是由明尼蘇達(dá)州的Control Data Corporation(CDC)在20世紀(jì)80年代建立的。CDC晶圓廠廠于1991年被Cypress半導(dǎo)體公司收購。在賽普拉斯時代，該工廠進(jìn)行了多次擴(kuò)建和升級，直到2000年代末都遵循摩爾定律，并以其在美國的生產(chǎn)設(shè)施而聞名，與亞洲的晶圓廠競爭。2017年，在明尼蘇達(dá)州Oxbow Industries的私人股本支持下，SkyWater從Cypress剝離。

SkyWater是一家總部位于美國且擁有美國國防部（DoD）認(rèn)證的Trusted Foundry的獨資公司。通過其Technology Foundry模型，SkyWater提供定制設(shè)計和開發(fā)服務(wù)，設(shè)計IP以及用于集成電路和微設(shè)備的批量生產(chǎn)。該公司世界一流的運營和獨特的處理能力可實現(xiàn)混合信號CMOS，電源，抗輻射和ROIC解決方案。SkyWater的創(chuàng)新工程服務(wù)可促進(jìn)超導(dǎo)和3D IC以及碳納米管，光子和MEMS器件的開發(fā)。SkyWater為航空航天和國防，汽車，云與計算，消費，工業(yè)，物聯(lián)網(wǎng)和醫(yī)療等不斷增長的市場的客戶提供服務(wù)。





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