Jeśli przyjrzymy się dostępnym na rynku narzędziom używanym do projektowania układów scalonych, to okaże się, że odpowiednie komercyjne oprogramowanie pochodzi zaledwie od trzech specjalizujących się w tym zakresie firm (Cadence, Synopsys i Siemens EDA). Sam projekt układu scalonego to zaledwie część kosztów związanych z jego fizycznym wytworzeniem. Niemniejsze nakłady pochłaniają procesy technologiczne.
Komercyjna ścieżka prowadząca do celu, jakim jest wyprodukowanie układu scalonego, nie zamyka jednak możliwości jego osiągnięcia. W ostatnim czasie pojawia się nowe podejście, wykorzystujące darmowe i otwarte narzędzia. Pozwalają one nawet dość znacznie obniżyć koszty produkcji, dzięki czemu wytworzenie własnych autorskich układów scalonych staje się możliwe dla szerszego grona firm.
Zlecanie opracowania i wyprodukowania układów scalonych monopolistom może prowadzić do... znacznego ograniczenia postępu technicznego. Do takiej konstatacji można dojść, ponieważ wiele projektów realizowanych tą ścieżką staje się po prostu nieopłacalnych. Wiele ciekawych pomysłów pochodzących ze środowiska akademickiego czy z mniejszych firm upada, zanim jeszcze rozpoczną się jakiekolwiek prace nad ich realizacją. Rozsądną alternatywą jest skorzystanie z dostępnych otwartych i darmowych narzędzi. Za ich pomocą można realizować wiele bardzo ciekawych projektów, nieodbiegających jakością i funkcjonalnością od wyprodukowanych komercyjnie.
Umożliwia to rozwój tanich narzędzi o podobnej funkcjonalności co ich odpowiedniki komercyjne. Nierzadko narzędzia takie są nawet bardziej wydajne niż ich drogie odpowiedniki. Przykładem jest Verilator do symulacji układów i DREAMPlace do optymalizacji wewnętrznego taktowania układu scalonego. Narzędzia te zostały opracowane przez Google, Nvidię, NXP oraz inne firmy i są aktywnie wykorzystywane w komercyjnym rozwoju produktów zamiast drogich, zastrzeżonych odpowiedników. Ich wydajność osiągnięto dzięki międzynarodowej, otwartej współpracy.
Z kolei projekt Tiny Tapeout kierowany do ponad tysiąca studentów na całym świecie pozwolił uzyskać niskie koszty opracowywania małych prototypowych układów scalonych. Podobną inicjatywę o nazwie Jeden Student, Jeden Chip (One Student One Chip) podjęto w Chinach.
Alternatywne narzędzia EDA
Termin "otwarte EDA" odnosi się generalnie do darmowych narzędzi dostępnych szerokiemu gronu użytkowników i przez nich rozwijanych. Korzystać z takich narzędzi można w całym procesie produkcyjnym lub tylko na jego poszczególnych etapach, np. w symulacji układu scalonego. Takie oprogramowanie można instalować na prywatnych komputerach i jest to kolejny czynnik odróżniający te narzędzia od wersji komercyjnych, które nie dają możliwości swobodnej instalacji oprogramowania, gdzie licencje ograniczają swobodę użytkowników w tym zakresie.
Uzupełnieniem narzędzi otwartych jest dokumentacja technologiczna Process Design Kit (PDK) udostępniana projektantom przez fabryki półprzewodników. Nie są to dane jawne i powszechnie dostępne. Uzyskanie takiego PDK wraz z uzyskaniem zgody na jego używanie wymaga jednak zwykle podpisywania umowy o zachowaniu poufności NDA i licencji EULA. Spełnienie tych wymagań jest niezbędne do uzyskania dostępu do informacji technologicznych wykorzystywanych w produkcji układów scalonych.
Istnieją jednak pewne wyjątki. Na przykład firmy SkyWater, GlobalFoundries, ICSprout i IHP udostępniają otwarte PDK, które nie wymagają od użytkownika podpisania umowy NDA (Non-Disclosure Agreement). Są to jednak dokumentacje dla stosunkowo dużych, nieco starszych "węzłów technologicznych", takich jak dobrze znany proces 130 nm. Ta technologia nadal jest używana do produkcji układów scalonych stosowanych na przykład w przemyśle motoryzacyjnym.
Inicjatywa opracowywania otwartych narzędzi EDA przez małe firmy, środowiska akademickie i użytkowników indywidualnych zaowocowała już pierwszymi rozwiązaniami. W ten sposób powstały już np.: framework Yosys służący do tworzenia list komponentów i ich połączeń (Wolf, Glaser 2013), narzędzie Magic layout oraz KLayout do przeglądania masek układu.
Przykładem zaangażowania w narzędzia otwarte jest także amerykańska agencja DARPA, która wsparła narzędzia OpenROAD dla procesu 12 nm. Z kolei Google współpracował z amerykańską fabryką Skwater w celu udostępnienia jej PDK. Razem z OpenLane program ten umożliwia generowanie plików GDS II (Graphic Design System) wysyłanych do fabryki i używanych do tworzenia fotomasek. Kolejnym przykładem jest DREAMPlace 4.0 – narzędzie do optymalizacji rozmieszczania elementów o różnych rozmiarach dystrybuowany na licencji BSD.
W celu umożliwienia czy choćby ułatwienia projektowania i tworzenia układów scalonych przy niskich kosztach powstało wiele organizacji i inicjatyw, takich jak Efabless czy Zero to ASIC Course. Należy też wspomnieć o SiliconCompiler.com, Chipfoundry.io i wafer.space. Fabryki półprzewodników, które otworzyły się na otwarte narzędzia projektowe, to m.in. SkyWater, IHP, GlobalFoundries i ICSprout oraz brytyjski Pragmatic.
Bezpieczeństwo: otwartość i formalna weryfikacja
Czy narzędzia otwarte mogą być stosowane we wszystkich dziedzinach? Takie pytanie narzuca się samoistnie. Szczególnie narażone na potencjalne niebezpieczeństwa są aplikacje wojskowe, medyczne, bankowe i wszystkie, w których występuje kryptografia. W praktyce każda "bezpieczna" implementacja powinna być produkowana w bezpiecznym środowisku i formalnie sprawdzona lub przynajmniej gruntownie przetestowana przez kilka zespołów, a w razie potrzeby może być również formalnie certyfikowana.
Perspektywy rozwoju fabryk
Kurs na otwarte oprogramowanie EDA został już zapoczątkowany. Mimo trudności z ich wprowadzaniem wydaje się, że drogi do odwrotu już nie ma. Firmy produkujące chipy powinny być nastawione na coraz większe znaczenie rozwiązań otwartych, ale będzie to długi proces. Oznacza to, że powinny być przygotowane na pewne zmiany w metodach produkcji i zarządzaniu. Jedną z koniecznych do wprowadzenia innowacji jest praca z otwartą maską. Nie będzie to opcja łatwa do zaakceptowania, gdyż maski nadal stanowią jedną z najbardziej chronionych tajemnic producenta. Podobnie jest z udostępnianiem konfiguracji sprzętu i opisów procesów technologicznych, a więc otwartością PDK. Nie oznacza to jednak, że wszystkie zakłady muszą stać się otwarte, chociaż taki typ funkcjonowania umożliwiłby produkcję danego wyrobu w różnych regionach i krajach. W rezultacie prowadziłoby to do redukcji kosztów.
Kolejną zmianą, jaką należy rozważać w przyszłości, jest zmniejszenie skali produkcji. Już teraz wynikające z tego korzyści można zaobserwować na przykładzie stosunkowo taniej japońskiej Minimal Fab ICPS. Wreszcie może mało intuicyjna zmiana wiąże się z wprowadzeniem większych struktur chipów.
Korzyści wynikające z innowacji
Najważniejsze korzyści wynikające z wprowadzania rozwiązań otwartych można podsumować w kilku punktach.
- Pojawia się łatwy w użyciu i tani konkurent dla oligopolu EDA.
- Pojawiła się możliwość bardzo taniego projektowania prostych układów ASIC, bez konieczności podpisywania umowy o zachowaniu poufności (NDA).
- Pojawiają się tańsze usługi projektowania układów ASIC dla firm, które z różnych powodów nie chcą samodzielnie korzystać z nowych narzędzi.
- Pojawia się możliwość stosowania rozwiązań stanowiących alternatywę dla procesów o najmniejszych węzłach technologicznych, często niedostępnych dla niektórych krajów. Są one przy tym również energooszczędne, a przy tym tańsze.
- Ważnym zagadnieniem jest bezpieczeństwo projektów wynikające z otwartości, co w konsekwencji prowadzi do łatwej ich oceny i poddawaniu audytowi.
Na podstawie "Free and Open Chip Design Tools" opr. J. Doliński
