一顆芯片的誕生，需要經(jīng)歷芯片設(shè)計(jì)、制造、封裝和測(cè)試等步驟，其中芯片設(shè)計(jì)和制造是最為核心和困難的環(huán)節(jié)，但相對(duì)設(shè)計(jì)而言，因?yàn)槭苜Y金和技術(shù)的限制，晶圓制造廠更為稀缺。對(duì)于任何人而言，如果想要制造芯片，在已經(jīng)擁有RTL（電阻晶體管邏輯電路）的前提下，還需要克服兩大障礙，一是從芯片代工廠獲得工藝設(shè)計(jì)套件（PDK），二是有足夠的資金支付制造費(fèi)用。

PDK即Process Design Kit工藝設(shè)計(jì)包，是連接IC設(shè)計(jì)公司、代工廠和EDA公司的橋梁。PDK包括設(shè)計(jì)規(guī)則文件、電學(xué)規(guī)則文件、版圖層次定義文件、SPICE仿真模型、器件版圖和期間定制參數(shù)。而PDK是將RTL轉(zhuǎn)化為物理芯片的關(guān)鍵步驟，也是實(shí)流程開(kāi)源的障礙，因此想制造自己的芯片，就要有一套可制造且開(kāi)源的PDK。

近日，Google和SkyWater合作發(fā)布生產(chǎn)開(kāi)發(fā)套件PDK，這是同類(lèi)產(chǎn)品中的第一個(gè)開(kāi)放源代碼處理工具，使用此PDK，你可以在130nm節(jié)點(diǎn)的SkyWater晶圓廠生產(chǎn)芯片。盡管它是為較舊的130 nm節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的，但由于是史無(wú)前例的，所以說(shuō)這是一項(xiàng)巨大的成就。人人都可以免費(fèi)造芯，芯片設(shè)計(jì)的新革命來(lái)了！

什么是PDK？對(duì)芯片設(shè)計(jì)的重要性

回顧過(guò)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(gè)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(xiǎn)實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新。那么，風(fēng)險(xiǎn)降低的主要原因是什么呢？答案就是工藝設(shè)計(jì)套件（PDK）。從英特爾，三星和臺(tái)積電開(kāi)始，它們都具有用于其硅制造的特定PDK，并且包含其節(jié)點(diǎn)的所有規(guī)范。

據(jù)Mentor對(duì)工藝設(shè)計(jì)套件的白皮書(shū)中寫(xiě)道，20世紀(jì)80年代，半導(dǎo)體界發(fā)生了巨大的變化，無(wú)晶圓廠和以臺(tái)積電為代表的純晶圓廠開(kāi)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(xiǎn)不再令人望而卻步，也因此，無(wú)數(shù)的無(wú)晶圓廠設(shè)計(jì)公司紛紛加入市場(chǎng)。無(wú)晶圓廠模式在維持摩爾定律的長(zhǎng)壽命中發(fā)揮了巨大作用。

要知道，在獨(dú)立晶圓代工廠變得可行之前，所有 IC 設(shè)計(jì)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(shí)間內(nèi)作為一個(gè)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(jì)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(jì)。制造不再需要在內(nèi)部進(jìn)行。設(shè)計(jì)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(lái)快速輕松地給設(shè)計(jì)添加更多功能。與摩爾的預(yù)測(cè)行為保持同步的競(jìng)賽就此揭幕，無(wú)晶圓廠革命由此開(kāi)始！

但是僅預(yù)先表征還不夠，僅知道每個(gè)器件可以制造，并不意味著它們可以通過(guò)任何方式連接起來(lái)并且仍能作為一個(gè)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(wèn)題，也會(huì)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(lái)讓設(shè)計(jì)人員放心，相信其充分設(shè)計(jì)的系統(tǒng)確實(shí)會(huì)以可接受（且有利可圖）的良率制造出來(lái)。

所以，后來(lái)的解決方案是引入設(shè)計(jì)規(guī)則和設(shè)計(jì)規(guī)則檢查 （DRC），設(shè)計(jì)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(jì)規(guī)則檢查則用于確認(rèn)設(shè)計(jì)滿(mǎn)足所繪制幾何形狀的最小制造約束，并且?guī)椭脩?hù)確定哪些圖層表示哪些掩模以及相關(guān)的制造步驟（通過(guò)層映射）。電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）工具的開(kāi)發(fā)使設(shè)計(jì)人員能夠運(yùn)行軟件來(lái)自動(dòng)掃描版圖，找出違反設(shè)計(jì)規(guī)則的配置。

預(yù)先表征的器件模型和DRC這兩個(gè)要素的組合成為無(wú)晶圓設(shè)計(jì)的初始最低要求，也是我們現(xiàn)在所稱(chēng) PDK 的開(kāi)端。

隨著時(shí)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(shí)現(xiàn)面向先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)的片上系統(tǒng) （SoC） 設(shè)計(jì)的安全性和簡(jiǎn)易性。但是，我們?nèi)匀徊粩嗦?tīng)到摩爾定律喪鐘敲響的流言，而設(shè)計(jì)人員對(duì)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(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，是因?yàn)檫@些新工藝都會(huì)帶有 PDK，而使用替代方案仍然需要承擔(dān)極大的風(fēng)險(xiǎn)。

所以PDK在不同設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)與制造商之間架起了橋梁，推動(dòng)技術(shù)向前發(fā)展?？梢?jiàn)PDK對(duì)芯片設(shè)計(jì)的重要性。

谷歌與SkyWater開(kāi)源PDK

SkyWater開(kāi)源PDK是Google和SkyWater Technology Foundry之間的合作，提供了一個(gè)完全開(kāi)源的流程設(shè)計(jì)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(jì)。

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

SkyWater開(kāi)源PDK主要包含：有關(guān)在SKY130過(guò)程節(jié)點(diǎn)上創(chuàng)建可制造設(shè)備所需的設(shè)計(jì)規(guī)則的全面文檔。用于多個(gè)開(kāi)源和專(zhuān)有設(shè)計(jì)流程的EDA工具支持文件。用于創(chuàng)建模擬設(shè)計(jì)的原始單元庫(kù)和模型。涵蓋一系列不同用例的多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字單元庫(kù)。使用PDK的多個(gè)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(kāi)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(xiàng)技術(shù)！截至2020年5月，該存儲(chǔ)庫(kù)的目標(biāo)是SKY130流程節(jié)點(diǎn)。如果SKY130過(guò)程節(jié)點(diǎn)發(fā)布成功，那么將來(lái)會(huì)有更多更先進(jìn)的技術(shù)節(jié)點(diǎn)可用。

SKY130過(guò)程節(jié)點(diǎn)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(yùn)行），1級(jí)本地互連，5級(jí)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。

所述SKY130工藝節(jié)點(diǎn)具有是一個(gè)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(jì)人員提供了廣泛的設(shè)計(jì)選擇靈活性。

如果您的需求超出了SKY130工藝節(jié)點(diǎn)中的標(biāo)準(zhǔn)功能，SkyWater還可以實(shí)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(kāi)源PDK和SKY130過(guò)程節(jié)點(diǎn)中包含的新選項(xiàng)，從而為傳統(tǒng)設(shè)計(jì)問(wèn)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(diǎn)的典型用法是，首先圍繞2001-2002時(shí)間幀商業(yè)化并且現(xiàn)在主要在研究，小微控制器開(kāi)發(fā)的區(qū)域中使用，和混合信號(hào)嵌入式設(shè)計(jì)如的IoT設(shè)備。

已經(jīng)創(chuàng)建了一個(gè)位于《 https://j.mp/si130nm 》的有效的Google文檔，以便于從研究人員，商業(yè)實(shí)體和其他團(tuán)隊(duì)使用相似大小的過(guò)程節(jié)點(diǎn)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(diǎn)上完全復(fù)制，這一點(diǎn)很重要。

Google和SkyWater目前將當(dāng)前內(nèi)容視為實(shí)驗(yàn)性預(yù)覽 / alpha版本。盡管已使用SKY130工藝節(jié)點(diǎn)和派生此開(kāi)源版本的PDK來(lái)創(chuàng)建許多已在商業(yè)上成功大量生產(chǎn)的設(shè)計(jì)，但目前不打算將開(kāi)源PDK用于生產(chǎn)設(shè)置。它應(yīng)該可用于進(jìn)行測(cè)試芯片和初始設(shè)計(jì)驗(yàn)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(yàn)證和測(cè)試設(shè)計(jì)，包括芯片驗(yàn)證或發(fā)布的數(shù)據(jù)，并計(jì)劃發(fā)布這些結(jié)果。

像許多開(kāi)源項(xiàng)目一樣，有多種方法可以獲得SkyWater開(kāi)源PDK的支持。SkyWater創(chuàng)建了一個(gè)市場(chǎng)合作伙伴生態(tài)系統(tǒng)，能夠提供從設(shè)計(jì)到后端封裝和測(cè)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(chǔ)庫(kù)，沒(méi)有任何明示或暗示的保證或條件。

開(kāi)源PDK的意義：任何人都可以免費(fèi)制造芯片

過(guò)去，你想制造一款芯片要必須從芯片晶圓廠獲得過(guò)程設(shè)計(jì)套件（PDK），并且必須有足夠的錢(qián)來(lái)實(shí)際支付制造費(fèi)用。谷歌此次和SkyWater的開(kāi)源PDK，這將使設(shè)計(jì)人員可以在開(kāi)放平臺(tái)上生產(chǎn)硅。

但是也有幾點(diǎn)要求，首先是芯片設(shè)計(jì)必須是公開(kāi)的并且是開(kāi)源的：你將通過(guò)向相關(guān)的Git存儲(chǔ)庫(kù)發(fā)送URL來(lái)提交您的作品。另一個(gè)是制程節(jié)點(diǎn)將為130nm。每個(gè)人都可以從生產(chǎn)線(xiàn)上獲得約100個(gè)組件，模具面積為10mm 2。

該項(xiàng)目由Google軟件工程師Tim Ansell領(lǐng)導(dǎo)，他自2008年以來(lái)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(kāi)始第一批芯片的直接批量生產(chǎn)，谷歌將為每個(gè)設(shè)計(jì)提供多達(dá)100個(gè)IC的完全免費(fèi)的芯片制造運(yùn)行。該項(xiàng)目的第二階段計(jì)劃于2021年開(kāi)始，到那時(shí)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)。

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