谷歌联合晶圆厂开源 PDK 芯片设计新革命来了！

谷歌联合晶圆厂开源 PDK 芯片设计新革命来了！

• 来源:网络
• 更新日期:2020-07-10

摘要：外汇天眼 APP 讯 : 本文来源：半导体行业观察近日，$ 谷歌 ( GOOG ) $ 和 SkyWater 合作发布生产开发套件 PDK，这是同类产品中的第一个开放源代码处理工具，使用此 PDK，你可以在 130

外汇天眼 APP 讯 : 本文来源：半导体行业观察

近日，$ 谷歌 ( GOOG ) $ 和 SkyWater 合作发布生产开发套件 PDK，这是同类产品中的第一个开放源代码处理工具，使用此 PDK，你可以在 130nm 节点的 SkyWater 晶圆厂生产芯片。尽管它是为较旧的 130 nm 节点设计的，但由于是史无前例的，所以说这是一项巨大的成就。人人都可以免费造芯，芯片设计的新革命来了！

什么是 PDK？对芯片设计的重要性

回顾过去 20 多年，摩尔定律一直在持续奋勇前行。取得这一成就的一个重要原因是晶圆代工厂不仅能够持续创新硅工艺，而且能够以最小的失败风险实现创新。那么，风险降低的主要原因是什么呢？答案就是工艺设计套件 ( PDK ) 。从英特尔，三星和台积电开始，它们都具有用于其硅制造的特定 PDK，并且包含其节点的所有规范。

据 Mentor 对工艺设计套件的白皮书中写道，20 世纪 80 年代，半导体界发生了巨大的变化，无晶圆厂和以台积电为代表的纯晶圆厂开始诞生。纯晶圆代工厂的出现，使得进入半导体行业的成本和风险不再令人望而却步，也因此，无数的无晶圆厂设计公司纷纷加入市场。无晶圆厂模式在维持摩尔定律的长寿命中发挥了巨大作用。

要知道，在独立晶圆代工厂变得可行之前，所有 IC 设计都与内部可用的制造工艺紧密相连。

但是器件模型和仿真电路模拟器 ( SPICE ) 的出现，使得业界可以使用已预表征的元器件，这些元器件可以在更合理的时间内作为一个系统一起仿真。正是这种看似微不足道的转变，使得器件制造和表征与设计流程相分离成为可能，进而使业界真正能够创建基于更多元器件的复杂设计。制造不再需要在内部进行。设计人员可以利用已充分表征且已知可由外部晶圆代工厂制造的器件来快速轻松地给设计添加更多功能。与摩尔的预测行为保持同步的竞赛就此揭幕，无晶圆厂革命由此开始！

但是仅预先表征还不够，仅知道每个器件可以制造，并不意味着它们可以通过任何方式连接起来并且仍能作为一个整体加以制造。光刻效应、化学机械研磨 ( CMP ) 、粒子污染、工艺缺陷等制造问题，也会影响最终良率和性能。因此纯晶圆代工厂必须找到一种办法来让设计人员放心，相信其充分设计的系统确实会以可接受（且有利可图）的良率制造出来。

所以，后来的解决方案是引入设计规则和设计规则检查 ( DRC ) ，设计规则定义了特定晶圆代工厂的具体工艺的制造要求。设计规则检查则用于确认设计满足所绘制几何形状的最小制造约束，并且帮助用户确定哪些图层表示哪些掩模以及相关的制造步骤（通过层映射）。电子设计自动化 ( EDA ) 工具的开发使设计人员能够运行软件来自动扫描版图，找出违反设计规则的配置。

预先表征的器件模型和 DRC 这两个要素的组合成为无晶圆设计的初始最低要求，也是我们现在所称 PDK 的开端。

随着时间推移 PDK 已有很大发展，再与 EDA 基础架构相结合后，其能尽可能实现面向先进工艺节点的片上系统 ( SoC ) 设计的安全性和简易性。但是，我们仍然不断听到摩尔定律丧钟敲响的流言，而设计人员对此也颇为担心。但到目前为止，我们仍在平静地沿着摩尔定律的道路前进，至少到 3 nm 的路径是清晰的。原因何在？简单来说，是因为这些新工艺都会带有 PDK，而使用替代方案仍然需要承担极大的风险。

所以 PDK 在不同设计团队与制造商之间架起了桥梁，推动技术向前发展。可见 PDK 对芯片设计的重要性。

谷歌与 SkyWater 开源 PDK

SkyWater 开源 PDK 是 Google 和 SkyWater Technology Foundry 之间的合作，提供了一个完全开源的流程设计套件和相关资源，可用于在 SkyWater 的工厂中创建可制造的设计。

SkyWater 开源 PDK 包含有关将设计套件与多种工具和设计流程一起使用以实现多种不同类型的 ASIC 创建的全面文档。这包括带有开源 RAM，FPGA，PicoRV32 和 lowRISC ibex RISC-V 内核等的 striVe 系列完整 ASIC 参考设计。

SkyWater 开源 PDK 主要包含：有关在 SKY130 过程节点上创建可制造设备所需的设计规则的全面文档。用于多个开源和专有设计流程的 EDA 工具支持文件。用于创建模拟设计的原始单元库和模型。涵盖一系列不同用例的多个标准数字单元库。使用 PDK 的多个文档示例。

SKY130 是一种成熟的 180nm-130nm 混合技术，最初由赛普拉斯半导体内部开发，然后被拆分为 SkyWater Technology，并为一般工业所用。SkyWater 和 Google 的本次合作将使所有人都可以使用这项技术！截至 2020 年 5 月，该存储库的目标是 SKY130 流程节点。如果 SKY130 过程节点发布成功，那么将来会有更多更先进的技术节点可用。

SKY130 过程节点技术堆栈包括：支持带有 5.0VI / O 的内部 1.8V（可在 2.5V 下运行），1 级本地互连，5 级金属，具有电感能力，具有较高的片状 rho 多晶硅电阻器，可选的 MiM 电容器，包括 SONOS 缩小的电池，支持 10V 稳压电源，高压漏极扩展 NMOS 和 PMOS。

所述 SKY130 工艺节点具有是一个极其灵活的产品，其中包括许多通常可选特征作为标准（特征如局部互连，SONOS 功能，MIM 电容器和更多）。这为设计人员提供了广泛的设计选择灵活性。

如果您的需求超出了 SKY130 工艺节点中的标准功能，SkyWater 还可以实现工艺定制化，包括添加 Nb，Ge，V2O5，碳纳米管等特殊材料。Google 和 SkyWater 一直在探索 SkyWater 开源 PDK 和 SKY130 过程节点中包含的新选项，从而为传统设计问题提供新的创新解决方案。

那么 130nm 主要应用在哪些领域？130nm 工艺节点的典型用法是，首先围绕 2001-2002 时间帧商业化并且现在主要在研究，小微控制器开发的区域中使用，和混合信号嵌入式设计如的 IoT 设备。

已经创建了一个位于 < https://j.mp/si130nm > 的有效的 Google 文档，以便于从研究人员，商业实体和其他团队使用相似大小的过程节点所做的工作中获得启发。由于制造工艺和材料的变化存在很大的限制和可能性，因此，所以不要假设 130nm 灵感文件中发现的精确结果可以在 SKY130 工艺节点上完全，这一点很重要。

Google 和 SkyWater 目前将当前内容视为实验性预览 / alpha 版本。尽管已使用 SKY130 工艺节点和派生此开源版本的 PDK 来创建许多已在商业上成功大量生产的设计，但目前不打算将开源 PDK 用于生产设置。它应该可用于进行测试芯片和初始设计验证（但这不能保证）。Google，SkyWater 和其合作伙伴目前正在进行内部验证和测试设计，包括芯片验证或发布的数据，并计划发布这些结果。

像许多开源项目一样，有多种方法可以获得 SkyWater 开源 PDK 的支持。SkyWater 创建了一个市场合作伙伴生态系统，能够提供从设计到后端封装和测试的支持。但是，Google 并不提供使用 SkyWater Open Source PDK 的外部支持，而是按 原样 分发此存储库，没有任何明示或暗示的保证或条件。

开源 PDK 的意义：任何人都可以免费制造芯片

过去，你想制造一款芯片要必须从芯片晶圆厂获得过程设计套件（PDK），并且必须有足够的钱来实际支付制造费用。谷歌此次和 SkyWater 的开源 PDK，这将使设计人员可以在开放平台上生产硅。

但是也有几点要求，首先是芯片设计必须是公开的并且是开源的：你将通过向相关的 Git 存储库发送 URL 来提交您的作品。另一个是制程节点将为 130nm。每个人都可以从生产线上获得约 100 个组件，模具面积为 10mm 2。

该项目由 Google 软件工程师 Tim Ansell 领导，他自 2008 年以来一直在公司工作。到 2020 年 7 月上旬，谷歌将收集芯片生产的应用程序。2020 年 11 月将开始第一批芯片的直接批量生产，谷歌将为每个设计提供多达 100 个 IC 的完全免费的芯片制造运行。该项目的第二阶段计划于 2021 年开始，到那时可以提供更多的成本。SkyWater PDK 旨在使公司更容易进入半导体行业。

SkyWater 是谁？

SkyWater 在微电子行业有着悠久的历史。SkyWater 设施最初是由明尼苏达州的 Control Data Corporation ( CDC ) 在 20 世纪 80 年代建立的。CDC 晶圆厂厂于 1991 年被 Cypress 半导体公司收购。在赛普拉斯时代，该工厂进行了多次扩建和升级，直到 2000 年代末都遵循摩尔定律，并以其在美国的生产设施而闻名，与亚洲的晶圆厂竞争。2017 年，在明尼苏达州 Oxbow Industries 的私人股本支持下，SkyWater 从 Cypress 剥离。

SkyWater 是一家总部位于美国且拥有美国国防部（DoD）认证的 Trusted Foundry 的独资公司。通过其 Technology Foundry 模型，SkyWater 提供定制设计和开发服务，设计 IP 以及用于集成电路和微设备的批量生产。该公司世界一流的运营和独特的处理能力可实现混合信号 CMOS，电源，抗辐射和 ROIC 解决方案。SkyWater 的创新工程服务可促进超导和 3D IC 以及碳纳米管，光子和 MEMS 器件的开发。SkyWater 为航空航天和国防，汽车，云与计算，消费，工业，物联网和医疗等不断增长的市场的客户提供服务。