一文讀懂如何更經(jīng)濟(jì)地設(shè)計(jì)一顆新的芯片

　　我們(IEEE)最近與Bunny Huang進(jìn)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(gè)小的資金適中的團(tuán)隊(duì)，比如大學(xué)宿舍的初創(chuàng)公司，是否可以生產(chǎn)一個(gè)定制的芯片，就像現(xiàn)在這樣的團(tuán)隊(duì)輕松創(chuàng)建板級(jí)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(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，商業(yè)應(yīng)用程序平均包含35%的開源代碼。)我們想了解芯片設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)仍然是如此封閉，如此具有挑戰(zhàn)性，這實(shí)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(shí)候不能使用現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)?

　　Huang：FPGA通常會(huì)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(shè)備，由動(dòng)物攜帶的GPS跟蹤器，移動(dòng)無線電設(shè)備，RFID設(shè)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(gè)例子是WS2812芯片內(nèi)部的驅(qū)動(dòng)器IC-通過嵌入一個(gè)微型ASIC和LED，可以創(chuàng)建一個(gè)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(shí)使用FPGA以及何時(shí)創(chuàng)建ASIC?那要看與ASIC相比，F(xiàn)PGA浪費(fèi)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(gè)數(shù)量級(jí)。但是制造ASIC也不便宜。

　　我現(xiàn)在正處于這個(gè)陷阱當(dāng)中：我試圖構(gòu)建下一代NeTV，這是一個(gè)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?yàn)樗麄兛梢蕴幚?K視頻，而我的FPGA解決方案最大達(dá)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(gè)產(chǎn)品創(chuàng)建一個(gè)我自己的ASIC。

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

　　前一段時(shí)間，我閱讀了Google的TPU的文章，我想，“該死，我想要那個(gè)?！庇谑俏议_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(gè)花費(fèi)數(shù)千美元，而且他們需要超級(jí)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(dāng)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(qiáng)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(fèi)是多少?假設(shè)芯片非常簡單。我想象一小部分成本可能是軟件來設(shè)計(jì)它的，不是嗎?而且你必須知道哪些設(shè)計(jì)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(diǎn)研究。有一些開源工具可能能夠讓你實(shí)現(xiàn)。 “SCMOS”設(shè)計(jì)規(guī)則是最可行的。我認(rèn)為這些是Open-V試圖使用的設(shè)計(jì)規(guī)則。

　　至于設(shè)計(jì)軟件，您可以使用基于Magic的開源工具鏈(Xcircuit，IRSIM，NetGen，Qrouter和Qflow)?；蛘?，如果您負(fù)擔(dān)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(shè)計(jì)流程。我個(gè)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(shè)計(jì)這么多芯片的。并且Cadence用來模擬寄生電阻和電容效應(yīng)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(rèn)為你可以用Magic來制造一些容差很大的集成電路 - 你可能會(huì)在LED驅(qū)動(dòng)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(shè)計(jì)來說，這可能是一個(gè)挑戰(zhàn)，因?yàn)槟M寄生效應(yīng)的開源工具可能無法勝任。但有一種方法可以改進(jìn)模型，使您可以在兩到三個(gè)芯片運(yùn)行中開發(fā)出成功的設(shè)計(jì)。

　　與ASIC相比，F(xiàn)PGA會(huì)浪費(fèi)大量硅，所以成本底限往往比您希望的要高一個(gè)數(shù)量級(jí)。

　　總而言之，在180納米左右以下的技術(shù)節(jié)點(diǎn)，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(shè)計(jì)套件也越來越封閉。

　　按照今天的標(biāo)準(zhǔn)，180nm非?！按蟆?。但是如果你真的想在一個(gè)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(huì)產(chǎn)生一些新穎的產(chǎn)品，在離散設(shè)計(jì)是不可能的產(chǎn)品。但請注意，晶圓級(jí)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(dá)到的效果相當(dāng)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?yàn)閮r(jià)格清單是保密的。但是我聽說的消息表明，一個(gè)簡單的ASIC(比如說一個(gè)尺寸為幾平方毫米，使用250-nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)制造的ASIC)可能花費(fèi)數(shù)千美元來購買幾十個(gè)樣品。

　　這個(gè)價(jià)格很吸引人，我曾經(jīng)動(dòng)過制造一個(gè)完全可以檢查的8位或16位CPU的想法。這可能會(huì)吸引那些真正意識(shí)到安全意識(shí)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(shè)一家小型創(chuàng)業(yè)公司使用免費(fèi)的設(shè)計(jì)工具，并找到足夠的資金做至少幾個(gè)芯片生產(chǎn)運(yùn)行。設(shè)計(jì)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(jìn)行開源電路設(shè)計(jì)?

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

　　還有相當(dāng)數(shù)量的“wishbone-compatible”設(shè)計(jì)，包括以太網(wǎng)橋和UART等。 OpenCores項(xiàng)目已經(jīng)是一個(gè)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(hào)和模擬信號(hào)，開放式設(shè)計(jì)相當(dāng)缺乏。關(guān)于Open-V的激動(dòng)人心的部分是他們愿意開放和共享模擬和混合信號(hào)模塊。雖然這些設(shè)計(jì)不能應(yīng)用于更先進(jìn)的制造技術(shù)節(jié)點(diǎn)，但至少在“SCMOS”范圍內(nèi)，存在一些機(jī)會(huì)使設(shè)計(jì)可以變成工作芯片。

　　不過，遺憾的是可能要很長一段時(shí)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(hào)設(shè)計(jì)模塊。還有一些可能永遠(yuǎn)無法通過開放式設(shè)計(jì)獲得的東西，包括SRAM，DRAM，F(xiàn)LASH和電可編程熔絲等存儲(chǔ)器塊。這是因?yàn)檫@些東西需要工藝知識(shí)來執(zhí)行 - 知道制造芯片的代工廠可能永遠(yuǎn)不會(huì)發(fā)布。

　　總而言之：一個(gè)小型玩家當(dāng)然可以設(shè)計(jì)自己的ASIC，并且只需要一些獨(dú)創(chuàng)性和幾千美元就可以制造出它。 但它無法創(chuàng)造出復(fù)雜的設(shè)計(jì)或使用最先進(jìn)的技術(shù)節(jié)點(diǎn)。