一文讀懂如何更經(jīng)濟地設計一顆新的芯片

　　我們(IEEE)最近與Bunny Huang進行了有趣的交流，他是硬件大師以及Chumby，NetTV和Novena Laptop等的創(chuàng)造者。他還是Hacking the Xbox，The Essential Guide to Electronics in Shenzhen兩篇文章的作者，在IEEE Spectrum中有兩篇專題文章。

　　我們感興趣的是Huang的意見，一個小的資金適中的團隊，比如大學宿舍的初創(chuàng)公司，是否可以生產(chǎn)一個定制的芯片，就像現(xiàn)在這樣的團隊輕松創(chuàng)建板級產(chǎn)品和軟件一樣。

　　軟件企業(yè)可以從可用于構(gòu)建商業(yè)產(chǎn)品的大量開源代碼中受益。 (一項研究發(fā)現(xiàn)，商業(yè)應用程序平均包含35%的開源代碼。)我們想了解芯片設計人員是否也能享受開源構(gòu)建模塊的豐富生態(tài)系統(tǒng)。

　　還是芯片設計仍然是如此封閉，如此具有挑戰(zhàn)性，這實際上只適用于大型，成熟的公司?

　　IEEE Spectrum：為什么一家小型創(chuàng)業(yè)公司想要首先生產(chǎn)自己的專用集成電路(ASIC)?難道它做任何產(chǎn)品孵化的時候不能使用現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)?

　　Huang：FPGA通常會有很大的封裝，消耗太多的電力。

　　對于制造諸如助聽器，可植入或可食用的醫(yī)療設備，由動物攜帶的GPS跟蹤器，移動無線電設備，RFID設備，電子賀卡或其他單一用途的一次性電路來說，ASIC是絕對必要的。

　　另外一個例子是WS2812芯片內(nèi)部的驅(qū)動器IC-通過嵌入一個微型ASIC和LED，可以創(chuàng)建一個內(nèi)置串行協(xié)議的單封裝RGB LED，從而徹底改變了照明。

　　所以肯定有一系列真正有用的改變行業(yè)的產(chǎn)品，這些產(chǎn)品是FPGA所無法觸及的，主要是您可能稱之為“便宜，低功耗的東西”。

　　您將如何決定何時使用FPGA以及何時創(chuàng)建ASIC?那要看與ASIC相比，F(xiàn)PGA浪費了大量的硅，所以成本底板(這在很大程度上取決于芯片所需的硅片表面積)通常比您希望的要高一個數(shù)量級。但是制造ASIC也不便宜。

　　我現(xiàn)在正處于這個陷阱當中：我試圖構(gòu)建下一代NeTV，這是一個基于FPGA的視頻處理引擎。能夠完成這種視頻處理的ASIC成本不到FPGA的一半，并且可以做得更好(因為他們可以處理4K視頻，而我的FPGA解決方案最大達到1080p)。但現(xiàn)有的ASIC沒有我需要的全部功能。但是，由于其他一些限制，我根本無法為這個產(chǎn)品創(chuàng)建一個我自己的ASIC。

　　ASIC的另一個重要價值在于其相反的一面：真正的高端產(chǎn)品。讓我用一個簡短的軼事來解釋。

　　前一段時間，我閱讀了Google的TPU的文章，我想，“該死，我想要那個。”于是我開始研究FPGA，看看如何構(gòu)建等效功能。

　　我發(fā)現(xiàn)可開始為Google的TPU工作的FPGA每個花費數(shù)千美元，而且他們需要超級昂貴的軟件許可證。一些大公司(如微軟)能夠與FPGA制造商合作，可能微軟收到了相當高的折扣。所以它可以創(chuàng)建一些使用FPGA的有趣硬件來與Google的TPU競爭。但是用這種功能強大的FPGA，至少對于大多數(shù)人或公司來說，單芯片就是17,000美元。

　　Spectrum：從零開始創(chuàng)建ASIC最少花費是多少?假設芯片非常簡單。我想象一小部分成本可能是軟件來設計它的，不是嗎?而且你必須知道哪些設計規(guī)則可以滿足。這些信息是否公開可用?

　　黃：我曾經(jīng)對此做過一點研究。有一些開源工具可能能夠讓你實現(xiàn)。 “SCMOS”設計規(guī)則是最可行的。我認為這些是Open-V試圖使用的設計規(guī)則。

　　至于設計軟件，您可以使用基于Magic的開源工具鏈(Xcircuit，IRSIM，NetGen，Qrouter和Qflow)。或者，如果您負擔得起，您可以使用像Cadence那樣的商業(yè)產(chǎn)品。

　　我用過Magic和Cadence的設計流程。我個人更喜歡使用Magic的芯片布局編輯器，但是Cadence的軟件更多地是用來設計這么多芯片的。并且Cadence用來模擬寄生電阻和電容效應的工具是經(jīng)過很好的審查的。

　　這并不是說你需要使用Cadence之類的東西。我認為你可以用Magic來制造一些容差很大的集成電路 - 你可能會在LED驅(qū)動器中發(fā)現(xiàn)一些集成電路，甚至像助聽器那樣的東西。對射頻設計來說，這可能是一個挑戰(zhàn)，因為模擬寄生效應的開源工具可能無法勝任。但有一種方法可以改進模型，使您可以在兩到三個芯片運行中開發(fā)出成功的設計。

　　與ASIC相比，F(xiàn)PGA會浪費大量硅，所以成本底限往往比您希望的要高一個數(shù)量級。

　　總而言之，在180納米左右以下的技術節(jié)點，你可以放棄使用開源工具。比這還要小的，就需要用掩模成像和使用不僅僅是簡單多邊形的形狀來做一些真正有趣的事情。而來自不同廠商的設計套件也越來越封閉。

　　按照今天的標準，180nm非?！按蟆?。但是如果你真的想在一個硅芯片上放置一些特殊的電路組合，你可以這樣做。這可能會產(chǎn)生一些新穎的產(chǎn)品，在離散設計是不可能的產(chǎn)品。但請注意，晶圓級芯片尺寸封裝(WL-CSP)允許印刷電路板集成可能與您定制ASIC所能達到的效果相當接近。

　　定制ASIC需要多少成本?估算掩模和芯片制造的成本是困難的，因為價格清單是保密的。但是我聽說的消息表明，一個簡單的ASIC(比如說一個尺寸為幾平方毫米，使用250-nm技術節(jié)點制造的ASIC)可能花費數(shù)千美元來購買幾十個樣品。

　　這個價格很吸引人，我曾經(jīng)動過制造一個完全可以檢查的8位或16位CPU的想法。這可能會吸引那些真正意識到安全意識的人，他們想要確保他們使用的微處理器中沒有什么有趣的東西。

　　Spectrum：好的，我們假設一家小型創(chuàng)業(yè)公司使用免費的設計工具，并找到足夠的資金做至少幾個芯片生產(chǎn)運行。設計人員能否像軟件開發(fā)人員經(jīng)常做的那樣，像構(gòu)建模塊一樣進行開源電路設計?

　　Huang：目前，在register-transfer level(RTL)中有一個非常合理的自由開放電路模塊庫，這是數(shù)字芯片設計中常用的。這包括RISC-V微處理器，也包括像lm32，mor1kx等設計。

　　還有相當數(shù)量的“wishbone-compatible”設計，包括以太網(wǎng)橋和UART等。 OpenCores項目已經(jīng)是一個非常合理的模塊列表，其中有些模塊甚至已經(jīng)被納入到了ASICs中(但大部分都是針對FPGA的)。

　　至于混合信號和模擬信號，開放式設計相當缺乏。關于Open-V的激動人心的部分是他們愿意開放和共享模擬和混合信號模塊。雖然這些設計不能應用于更先進的制造技術節(jié)點，但至少在“SCMOS”范圍內(nèi)，存在一些機會使設計可以變成工作芯片。

　　不過，遺憾的是可能要很長一段時間，直到出現(xiàn)一套很好的已經(jīng)在ASIC中測試過了的模擬和混合信號設計模塊。還有一些可能永遠無法通過開放式設計獲得的東西，包括SRAM，DRAM，F(xiàn)LASH和電可編程熔絲等存儲器塊。這是因為這些東西需要工藝知識來執(zhí)行 - 知道制造芯片的代工廠可能永遠不會發(fā)布。

　　總而言之：一個小型玩家當然可以設計自己的ASIC，并且只需要一些獨創(chuàng)性和幾千美元就可以制造出它。 但它無法創(chuàng)造出復雜的設計或使用最先進的技術節(jié)點。