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先进工艺推进至3nm,10nm以下的成熟工艺有开源的可能吗?
2022-12-19 02:05:00
在晶圆厂的诸多资产中,光刻机等各种设备决定了是否能制造出先进芯片的硬件实力,而PDK(工艺设计套件)则决定了工艺细节、差异化和可靠性,可以说是每个晶圆厂的软实力。Fabless客户在生产前必须使用晶圆厂提供的PDK,确保晶圆厂能够靠他们的设计成功流片,并实现预期的PPA目标。
然而,这些PDK往往都是封闭保密的,客户需要签订保密协议才能获取到PDK,否则这些套件都被封闭在授权服务器或密码保护的下载网站上。对于现在这个开源盛行的软件生态来说,确实显得有些格格不入了。但这毕竟是商业机密,做此保护可以理解,但也有的晶圆厂开始推出开源PDK。
开源PDK的过去
晶圆厂本身的专有与封闭特质其实也有商用EDA工具厂商的功劳,首先EDA的厂商的数量相较芯片设计公司来说远算不上多,而且就只有那么几家占据主导地位,对于晶圆厂来说,要想做到全部支持无疑是痴人说梦,所以还不如限制支持的工具数量。
然而早在20世纪晶圆制造的热潮初期,有不少设计工具都是开源的,直到后来才逐渐转变成所谓的设计软件。当时的MOSIS基金会推出了一个半开放式的PDK,名为SCMOS,支持到了数个晶圆厂和工艺。
可之所以称之为半开放,就是因为该PDK使用了较为保守的规则,并没有给到生产极限,器件模型和参数可不是顺手可得的,而是也得与MOSIS签订保密协议。如今用SCMOS PDK设计的IP库虽然仍可以提供,但MOSIS已经不再继续为这些PDK提供支持了,所以基本是不可生产的。这也就和一些大学的学术PDK一样,目前处于一个名存实亡的境地。
90nm的开源PDK已成现实
而到了2020年,Google和SkyWater推出的SKY130 PDK则做到了更进一步,不仅提供的是该工艺节点的标准设计规则,还有SRAM和闪存单元这类特殊规则,以及所有器件模型和参数等等。今年7月,谷歌又宣布加深与SkyWater的合作,将开源工艺推进至90nm,推出了SKY90-FD PDK,让开放MPW计划的参与者们都能用上SkyWater的FDSOI CMOS工艺。
这种开源PDK成功卸载了大量与EDA工具支持有关的工作,靠开源社区的开发者互相提供支持,并通过各种各样的工具来利用这些工艺。开发者社区会自行修复发现的错误,补全缺失的功能,也无需签署任何保密协议。
有了SkyWater珠玉在前,一些晶圆厂也开始察觉到开源PDK和MPW项目不仅可以促进开源项目发展,也能充分利用那些现在看来不那么先进的工艺产能。于是格芯也加入了谷歌出资打造的这个开源芯片生态中,拿出了自己的180nm,推出了GF180MCU这一开源PDK。
除了数字标准单元库外,GF180MCU还提供了低中高压器件模型、SRAM、I/O和基本元件(电阻、电容、晶体管)单元库。不仅可以用于打造电机控制器、RFID,还能用于打造通用MCU和PMIC。
结语
虽然开源PDK和MPW已经初见苗头了,但要说目前提供的工艺水平的话,还是稍显落后的,主要还是用来给初创企业与学研界验证一些较为简单的设计,所以10nm到28nm左右的工艺想要开源明显还不现实。
但这里的“落后”仅仅是针对3nm、5nm等最先进的工艺而言的,要知道,像180nm工艺的晶圆依旧有着每年1600万片的出货量。不过随着先进工艺不断往前赶,未来几年内40nm以下的开源PDK还是有可能陆续出现的。
与此同时,中国也应该加大这方面的投入,这并不是要求每个项目都做到“一生一芯”的程度,也不要求每个参与者都能流片出“香山”这样的处理器,但这样的开源芯片计划无疑对于人才培养能起到推动作用,毕竟国内的制造水平早就可以满足180nm的需求了。
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