一顆芯片的誕生，需要經(jīng)歷芯片設計、制造、封裝和測試等步驟，其中芯片設計和制造是最為核心和困難的環(huán)節(jié)，但相對設計而言，因為受資金和技術的限制，晶圓制造廠更為稀缺。對于任何人而言，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計套件（PDK），二是有足夠的資金支付制造費用。

PDK即Process Design Kit工藝設計包，是連接IC設計公司、代工廠和EDA公司的橋梁。PDK包括設計規(guī)則文件、電學規(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轉化為物理芯片的關鍵步驟，也是實流程開源的障礙，因此想制造自己的芯片，就要有一套可制造且開源的PDK。

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，芯片設計的新革命來了！

什么是PDK？對芯片設計的重要性

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險實現(xiàn)創(chuàng)新。那么，風險降低的主要原因是什么呢？答案就是工藝設計套件（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對工藝設計套件的白皮書中寫道，20世紀80年代，半導體界發(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)，使得進入半導體行業(yè)的成本和風險不再令人望而卻步，也因此，無數(shù)的無晶圓廠設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 設計都與內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)界可以使用已預表征的元器件，這些元器件可以在更合理的時間內作為一個系統(tǒng)一起仿真。正是這種看似微不足道的轉變，使得器件制造和表征與設計流程相分離成為可能，進而使業(yè)界真正能夠創(chuàng)建基于更多元器件的復雜設計。制造不再需要在內部進行。設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計添加更多功能。與摩爾的預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、化學機械研磨 （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計人員放心，相信其充分設計的系統(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計規(guī)則和設計規(guī)則檢查 （DRC），設計規(guī)則定義了特定晶圓代工廠的具體工藝的制造要求。設計規(guī)則檢查則用于確認設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的制造步驟（通過層映射）。電子設計自動化（EDA）工具的開發(fā)使設計人員能夠運行軟件來自動掃描版圖，找出違反設計規(guī)則的配置。

預先表征的器件模型和DRC這兩個要素的組合成為無晶圓設計的初始最低要求，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基礎架構相結合后，其能盡可能實現(xiàn)面向先進工藝節(jié)點的片上系統(tǒng) （SoC） 設計的安全性和簡易性。但是，我們仍然不斷聽到摩爾定律喪鐘敲響的流言，而設計人員對此也頗為擔心。但到目前為止，我們仍在平靜地沿著摩爾定律的道路前進，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極大的風險。

所以PDK在不同設計團隊與制造商之間架起了橋梁，推動技術向前發(fā)展?？梢奝DK對芯片設計的重要性。

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計套件和相關資源，可用于在SkyWater的工廠中創(chuàng)建可制造的設計。

SkyWater開源PDK包含有關將設計套件與多種工具和設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，FPGA，PicoRV32和lowRISC ibex RISC-V內核等的striVe系列完整ASIC參考設計。

SkyWater開源PDK主要包含：有關在SKY130過程節(jié)點上創(chuàng)建可制造設備所需的設計規(guī)則的全面文檔。用于多個開源和專有設計流程的EDA工具支持文件。用于創(chuàng)建模擬設計的原始單元庫和模型。涵蓋一系列不同用例的多個標準數(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，最初由賽普拉斯半導體內部開發(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！截至2020年5月，該存儲庫的目標是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的技術節(jié)點可用。

SKY130過程節(jié)點技術堆棧包括：支持帶有5.0VI / O的內部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，高壓漏極擴展NMOS和PMOS。

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特征作為標準（特征如局部互連，SONOS功能，MIM電容器和更多）。這為設計人員提供了廣泛的設計選擇靈活性。

如果您的需求超出了SKY130工藝節(jié)點中的標準功能，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)設計問題提供新的創(chuàng)新解決方案。

那么130nm主要應用在哪些領域？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計如的IoT設備。

已經(jīng)創(chuàng)建了一個位于《 https://j.mp/si130nm 》的有效的Google文檔，以便于從研究人員，商業(yè)實體和其他團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130nm靈感文件中發(fā)現(xiàn)的精確結果可以在SKY130工藝節(jié)點上完全復制，這一點很重要。

Google和SkyWater目前將當前內容視為實驗性預覽 / 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)的設計，但目前不打算將開源PDK用于生產(chǎn)設置。它應該可用于進行測試芯片和初始設計驗證（但這不能保證）。Google，SkyWater和其合作伙伴目前正在進行內部驗證和測試設計，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，首先是芯片設計必須是公開的并且是開源的：你將通過向相關的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領導，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)，谷歌將為每個設計提供多達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入半導體行業(yè)。

責任編輯：gt