Koszt niezbędnych narzędzi do projektowania PCB bywa pomijalnie mały. Wydawałoby się, że przez analogię podobnych relacji można oczekiwać w zakresie projektowania układów scalonych. Nic z tego!
Koszty projektowania układów scalonych
Proces projektowania układów scalonych jest kosztowny, współpraca projektanta z foundries jest objęta umowami o poufności (NDA), a wiele procesów technologicznych jest niedostępnych dla firm produkujących małe partie. Co więcej, dostęp do zaawansowanych narzędzi EDA może być limitowany przez ograniczenia eksportowe, a tanich pakietów nie ma wcale.
Licencje EULA na oprogramowanie komercyjne mają wiele ograniczeń, przez co sytuacja, w której student politechniki zainstaluje sobie oprogramowanie do nauki na laptopie, nie ma tu kompletnie miejsca. Niekiedy nawet umowy NDA i EULA uniemożliwiają porównywanie funkcjonalności oprogramowania pochodzącego od różnych dostawców przez np. instalację dwóch pakietów.
Dodatkowo branża oprogramowania do projektowania chipów jest zdominowana przez kilka firm, co generuje wysokie koszty i bariery wejścia dla małych firm i badaczy. Głównymi graczami w branży narzędzi projektowych są firmy Cadence, Synopsys i Siemens EDA (dawniej Mentor Graphics), tworzące tzw. Wielką Trójkę.
Jak ujęli to analitycy PwC: „Ta oligopolistyczna struktura utrudnia dostęp do niezbędnych narzędzi EDA, szczególnie małym i średnim przedsiębiorstwom”. Barierą są m.in. ceny licencji sięgające dla pojedynczej stacji roboczej od 120 tys. do nawet 1 mln dolarów za roczny abonament.
Wyzwania związane z produkcją chipów
Wykorzystanie zakładu produkcyjnego (foundry) do fizycznej produkcji chipów również jest kosztowne, a często niemożliwe. Pomostem między oprogramowaniem EDA a fabryką jest tzw. PDK - Process Design Kit. Ta nazwa określa bibliotekę z plikami opisującymi parametry i charakterystykę procesu technologicznego w danej fabryce. Taki plik PDK trzeba uzyskać, a dalej wprowadzić go do posiadanego EDA po to, aby móc projektować, weryfikować i symulować swoje rozwiązanie.
Każdy proces i wymiar w danej fabryce mają swój PDK i nietrudno się zorientować, że nie jest to informacja dostępna publicznie. Czołowe fabryki udostępniają PDK wyłącznie klientom w ramach umów i są to informacje poufne. Pliki PDK są też aktualizowane, poprawiane, udoskonalane, stąd do produkcji trzeba mieć aktualny zestaw. Inaczej nikt zlecenia nie przyjmie.
Nowe podejście w branży
Taki stan jest dużą barierą, ale szczęśliwie w branży pojawia się nowe podejście, wykorzystujące darmowe narzędzia i otwarte PDK, aby obniżyć koszty i umożliwić nawet małym firmom projektowanie układów scalonych i uzyskanie tanich serii produkcyjnych.
Okazało się, że jest już kilka fabryk półprzewodników, które udostępniają bez umowy biblioteki PDK dla starszych procesów, np. SkyWater 130 nm, IHP 130 nm, GlobalFoundries 180 nm, ICSprout 55 nm. Daje to możliwość produkcji układów ASIC bez konieczności zawierania umów NDA. To już jest spory krok do przodu.
Rozwój oprogramowania EDA open source
Oprogramowania EDA open source przybywa i jest wiele inicjatyw grupujących użytkowników i deweloperów zajmujących się rozwojem. Często takie inicjatywy powiązane są z celem edukacyjnym i wspierane przez władze. Wymienić można na przykład projekt Tiny Tapeout skupiający około 1000 studentów lub inicjatywę One Student One Chip – oba są chińskie i chodzi w nich o kształcenie kadr.
Oczywiście darmowa EDA nie zapewnia takiej funkcjonalności ani wydajności jak oprogramowanie Wielkiej Trójki, ale nie każdy potrzebuje tego zaawansowania. Projekty takie jak OpenROAD (wspierany przez Google), iEDA (Chiny) i Coriolis (Francja) to najpopularniejsze hasła z tego obszaru, ale narzędzi jest więcej: Yosys, Verilator, DREAMPlace, Xschem, KLayout, Xyce, OpenLane oraz Iverilog. Nawet jeśli z tych wielu narzędzi nie wyłoni się coś większego, a inicjatywy realnie nie wyjdą poza edukację, to i tak będzie to znaczący krok naprzód.
Robert Magdziak
