Thiết kế vi mạch thông qua các công cụ mã nguồn mở SkyWater PDK

1. Giới thiệu

Thiết kế vi mạch (VLSI – Very Large Scale Integration) là một lĩnh vực quan trọng trong công nghiệp bán dẫn, yêu cầu chi phí cao và công cụ thiết kế chuyên dụng. Tuy nhiên, với sự ra đời của SkyWater PDK – một bộ công cụ thiết kế vi mạch mã nguồn mở, cộng đồng nghiên cứu và các trường đại học có cơ hội tiếp cận với công nghệ chế tạo vi mạch mà không phải trả chi phí bản quyền phần mềm. Bài viết này sẽ giới thiệu về SkyWater PDK, các công cụ mã nguồn mở hỗ trợ thiết kế vi mạch, và quy trình thiết kế một vi mạch ASIC từ đầu.

2. SkyWater PDK là gì?

SkyWater PDK (Process Design Kit) là bộ thư viện quy trình sản xuất vi mạch mã nguồn mở đầu tiên, được phát triển bởi SkyWater Technology và Google. Bộ PDK này cung cấp các tệp tin thiết kế, mô hình SPICE, thư viện chuẩn, và các quy trình chế tạo tương ứng với công nghệ 130nm của SkyWater. Đây là một bước đột phá giúp các nhà nghiên cứu và kỹ sư thiết kế vi mạch có thể thực hiện các dự án ASIC mà không cần tiếp cận với các công cụ thương mại đắt đỏ.

3. Các công cụ mã nguồn mở hỗ trợ thiết kế vi mạch

Với SkyWater PDK, một số công cụ thiết kế vi mạch mã nguồn mở đã được phát triển và tối ưu hóa để hỗ trợ quy trình thiết kế từ sơ đồ mạch đến sản xuất, bao gồm:

  • Magic: Một công cụ thiết kế layout vi mạch phổ biến trong cộng đồng mã nguồn mở, hỗ trợ thiết kế, kiểm tra quy tắc thiết kế (DRC) và trích xuất thông số mạch.
  • OpenROAD: Một bộ công cụ tự động hóa thiết kế ASIC từ RTL đến GDSII, giúp tối ưu hóa tuyến đường và vị trí linh kiện trên layout.
  • Yosys: Công cụ tổng hợp logic giúp chuyển mã Verilog sang netlist có thể thực thi.
  • Klayout: Một công cụ xem và chỉnh sửa layout mạnh mẽ, hỗ trợ GDSII.
  • NGSPICE: Một trình mô phỏng SPICE cho phép kiểm tra hoạt động của mạch trước khi chế tạo.
  • OpenLane: Một bộ công cụ thiết kế đầy đủ từ RTL đến GDSII, tích hợp nhiều công cụ trên và hỗ trợ SkyWater PDK.

4. Quy trình thiết kế vi mạch sử dụng SkyWater PDK

Quy trình thiết kế một vi mạch ASIC với SkyWater PDK sử dụng các công cụ mã nguồn mở có thể được chia thành các bước sau:

Bước 1: Xác định yêu cầu và viết mã RTL

  • Xác định chức năng của vi mạch.
  • Viết mã Verilog để mô tả hành vi của vi mạch.

Bước 2: Tổng hợp logic (Synthesis)

  • Sử dụng Yosys để tổng hợp mã Verilog thành netlist.
  • Kiểm tra độ trễ và tối ưu hóa kích thước mạch.

Bước 3: Định vị và bố trí (Placement & Routing)

  • Sử dụng OpenROAD và OpenLane để tự động hóa quá trình đặt vị trí linh kiện và kết nối dây dẫn.

Bước 4: Kiểm tra quy tắc thiết kế (DRC & LVS)

  • Sử dụng Magic để kiểm tra vi phạm quy tắc thiết kế.
  • Dùng Netgen để so sánh layout với netlist nhằm đảm bảo tính chính xác của thiết kế.

Bước 5: Mô phỏng và xác minh (Simulation & Verification)

  • Sử dụng NGSPICE để mô phỏng mạch tương tự.
  • Dùng Verilator hoặc các công cụ khác để kiểm tra logic số.

Bước 6: Xuất file GDSII và chuẩn bị chế tạo

  • Xuất file GDSII dùng để gửi đến xưởng chế tạo chip.
  • Kiểm tra lại toàn bộ thiết kế trước khi gửi đi sản xuất.

5. Ứng dụng của SkyWater PDK trong nghiên cứu và giáo dục

SkyWater PDK mang lại nhiều lợi ích cho nghiên cứu và đào tạo:

  • Giúp sinh viên tiếp cận thực tế với thiết kế ASIC mà không cần chi phí bản quyền phần mềm đắt đỏ.
  • Hỗ trợ nghiên cứu trong lĩnh vực vi mạch và bán dẫn, giúp các nhóm nghiên cứu phát triển và thử nghiệm các thiết kế mới.
  • Thúc đẩy sự phát triển của cộng đồng mã nguồn mở trong thiết kế vi mạch, tạo cơ hội hợp tác giữa các trường đại học và tổ chức công nghệ.

6. Kết luận

Sự xuất hiện của SkyWater PDK đã mở ra một hướng đi mới cho thiết kế vi mạch, giúp cộng đồng học thuật và các kỹ sư có thể tiếp cận với công nghệ ASIC mà không bị ràng buộc bởi chi phí phần mềm. Với sự hỗ trợ của các công cụ mã nguồn mở như Magic, OpenROAD, Yosys, OpenLane, SkyWater PDK đang trở thành một nền tảng lý tưởng cho việc phát triển vi mạch tiên tiến. Trong tương lai, việc mở rộng SkyWater PDK sang các công nghệ bán dẫn tiên tiến hơn sẽ tiếp tục thúc đẩy sự đổi mới trong ngành công nghiệp vi mạch.

Tài liệu tham khảo: