[原创] 谷歌联合晶圆厂开源PDK，芯片设计新革命来了！
2020-07-09
14:00:26
来源: 半导体行业观察
近日，Google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！
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。
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工艺节点上完全复制，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。
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。
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