Чипы для всех. Свободный стандарт на производство микросхем

Идея свободного железа особенно актуальна сейчас, когда крупные корпорации пытаются ограничить доступ к своей интеллектуальной собственности, а национальные правительства ставят друг другу препоны в доступе к технологиям.

Многие хотели бы составить конкуренцию лидерам — TSMC, Samsung и Intel, которые являются фактически монополистами в производстве современных микросхем по техпроцессу 2/5 нм.

▍ Свободные микросхемы

Чтобы решить проблему монопольного доступа к технологиям производства, несколько лет назад была создана организация Libre Silicon, которая разрабатывает свободный стандарт технологического процесса производства полупроводников с открытым исходным кодом, включая набор проектирования технологических процессов (PDK) для цифро-аналоговых микросхем, а также быстрый, простой и недорогой способ производства.

Активисты пишут, что для начала работы не требуется подписания каких-то секретных соглашений и договоров: вы можете создать дизайн микросхем и наладить производство хоть в своём гараже. Libre Silicon стремится произвести революцию на рынке, разрушив монополию проприетарных производителей.

В этой связи приходят на память отдельные энтузиасты, которые де-факто наладили успешное производство микросхем прямо в своём гараже. Например, как 22-летний американец Сэм Зелуф (сейчас ему уже 23):

В 2022 году этот американский студент попал в СМИ со своей домашней лабораторией, где использует старое оборудование б/у. На аукционах eBay он нашёл дешёвое оборудование 70-80-х годов, принадлежавшее закрытым калифорнийским компаниям. Например, он купил сломанный электронный микроскоп за $1000 и починил его.

Студент смастерил собственную установку для фотолитографии, прикрутив к микроскопу модифицированный проектор для конференц-зала, купленный на Amazon.

Для начала он изготовил микросхему с 1200 транзисторами. Напомним, первый в мире коммерческий микропроцессор Intel 4004 образца 1971 года содержал 2300 транзисторов.

Z1: первая микросхема Сэма Зелофа (шесть транзисторов, норма 175 микрон)

Z2: вторая микросхема с 1200 транзисторами

Недавно Зелуф модернизировал свою самодельную фотолитографическую машину, чтобы печатать детали размером 300 нм, примерно на уровне коммерческой индустрии середины 90-х.

Если такое может делать студент у себя в гараже, то на что же способны более профессиональные специалисты?

Судя по всему, для запуска собственного современного производства сегодня в РФ или другой стране, которая хочет наладить такое производство, есть две основные проблемы:

• отсутствие оборудования для производства, а также инструментов для моделирования схем, компоновки, DRC, LVS, проверки целостности сигналов и питания и многих других;
• отсутствие проектов дизайна микросхем.

В итоге для малого и среднего бизнеса, стартапов и любителей не существует недорогого и простого способа разработать собственные ASIC и вывести их на рынок. Всё находится в руках нескольких крупных корпораций, которые монополизировали производство, взимают около $2000 за прототип и заставляют инженеров ждать месяцами, пока их разработку проверят физически. Открытый и свободный для всех дизайн микросхем от Libre Silicon должен изменить эту ситуацию.

Собственный дизайн и производство — это ещё и решение проблемы с безопасностью. По крайней мере, с момента появления Intel Management Engine и уязвимостей Spectre и Meltdown растёт беспокойство по поводу надёжности и безопасности процессоров в компьютерах, смартфонах и других устройствах. Всегда есть риск аппаратных закладок (бэкдоров).

Аппаратные закладки под микроскопом, источник

Благодаря полностью открытому технологическому процессу и документации технологических узлов открываются двери для создания полностью свободных процессорных платформ, которые позволяют проводить полный аудит безопасности вплоть до транзисторного уровня.

Это стандартизированный процесс свободного производства, который позволяет легко обмениваться разработками и проводить их проверку на аппаратном уровне в любой точке земного шара. Можно разработать и протестировать любой ASIC (CMOS и аналоговый) где-нибудь в Токио, затем загрузить его с GitHub — и изготовить в любой другой точке мира. По крайней мере, таков был план Libre Silicon.

К сожалению, деятельность этой организации ограничилась тем, что в 2021 году она опубликовала несколько документов PDF с дизайном микросхем и пошаговым описанием технологического процесса (PDK, Process Design Kit). На этом она пока прекратила свою активность.

Осаждение титана — 33-й этап в пошаговом руководстве по самостоятельному производству микросхем (высокотехнологическая версия)

Но такой мануал — это уже хорошее начало.

▍ Другие инициативы

Из других инициатив можно назвать SkyWater Open Source PDK — совместный проект Google и SkyWater Technology Foundry для создания полностью открытого PDK с производством на предприятии SkyWater. Изначально репозиторий был ориентирован на технологические узлы SKY130 (техпроцесс 130 нм, документация).

В случае успешного выпуска в будущем могут сделать доступными и более продвинутые технологические узлы. Но опять же, об этом проекте ничего не слышно с 2020 года.

Опенсорсные микросхемы или опенсорсные ноутбуки могут быть подходящим вариантом для локализации производства в РФ или других странах, где нет собственных производителей с опытом проектирования и массового выпуска таких устройств. По крайней мере, теоретически свободное железо выглядит привлекательно для такой цели.

Опенсорсный ноутбук. Источник: Open Source Laptop Project

В интернете можно найти довольно подробные инструкции, как спроектировать процессор с нуля.

Возможно, в будущем проектировать собственные микросхемы будет проще. Уже есть научные статьи об автоматическом дизайне CPU с помощью ИИ.

Традиционный процесс проектирования CPU (вверху) и предлагаемый процесс с использованием ИИ, источник

Для электронной схемотехники разработан мощный инструментарий, в том числе опенсорсный, и появляются всё новые программы. Например, в сентябре 2023 года вышла первая версия опенсорсной программы LibrePCB: бесплатный инструмент EDA (автоматизация проектирования электроники) для разработки печатных плат под Windows, Linux и MacOS.

Может быть, программа LibrePCB известна энтузиастам по свои более старым версиям, но с выходом 1.0.0 она приобрела завершённый вид. Для пользователей Eagle интерфейс будет интуитивно понятным, да и в целом он очень простой в освоении.

В нём отсутствуют заумные штуки, от которых страдают многие пакеты САПР и EDA, а без их изучения ничего не получится. Здесь всё гораздо понятнее.

В настоящее время в менеджер библиотек можно импортировать ряд библиотек, охватывающих распространённые детали и платы. В библиотеке прямо указываются номера MPN (manufacturer part numbers):

Со временем выбор будет расширяться. Интересно, что менеджер библиотек поддерживает системы контроля версий. Так что библиотекой можете управлять прямо из Git-репозитория.

В программе работает настройка для устранения ошибок DRC, проверка ошибок на лету (неподключенные сети, сбои DRC). Также поддерживается 3D-вид. Есть экспорт моделей в PDF, SVG, pixmap, BOM, pick&place, Gerber/Excellon. Также есть возможность загрузить их непосредственно на фабрику печатных плат. В настоящее время выбор ограничен Aisler и PCBway.

Вообще, похоже, что создание этой программы проспонсировал какой-то производитель печатных плат (вероятно, Aisler), поскольку экспорт по умолчанию идёт на их фабрику. Но всё равно получилось неплохо.

▍ Локализация производства микросхем

Китай героически пытается догнать передовых игроков индустрии. Конкуренция здесь обостряется, участились случаи кражи технологий.

Недавно стало известно о японских литографах Canon FPA-1200NZ2C, производитель которых заявляет о возможности производить чипы 2/5 нм при стоимости оборудования в несколько раз меньше, чем у TSMC. И нужно учесть, что японские компании не всегда ограничены санкционными ограничениями ЕС и США, то есть теоретически могут поставлять оборудование в тот же Китай.

В то же время Китай заявил, что освоил передовую технологию производства чипов даже на старых литографах ASML.

Не только отдельные государства, но и крупные интернет-корпорации (Google, Amazon) проектируют собственные чипы для своих дата-центров. Даже Microsoft недавно присоединилась к их числу. Первыми станут процессоры Azure Maia 100 и Cobalt 100.

Если говорить о России, то собственного производства высокотехнологичных микросхем 5 нм нет и не планируется. Хотя чиновники делают вид, что всё идёт по плану. По крайней мере, год назад в Зеленограде ещё продолжалось строительство корпусов для завода МИЭТ, где собираются наладить производство микросхем по техпроцессу 28 нм.

Комментаторы считают, что с помощью китайского бэушного оборудования «вполне реально» открыть производство на 28 нм, хотя «экономического смысла в этом нет». Завод не заработает прибыль только на внутрироссийском рынке, то есть не выйдет в плюс. Разве что на оборонных заказах…

Российская сторона уверена, что даже 90 нм уже закроют множество потребностей, а 28 нм закроет «почти все потребности». Меньшего техпроцесса реально требует только портативная носимая электроника.

С одной стороны, сложно поверить в организацию такого сложного производства в условиях санкций. С другой стороны, Китаю это удалось: они создали соответствующие условия, выделили ресурсы, подключили промышленный шпионаж — и всё почти получилось.

▍ Будущее

Если в индустрии удастся реализовать свободный стандарт на производство микросхем, то мировой рынок микроэлектроники может кардинально измениться. Вероятно, станет более рентабельным производство заказных ИС даже в самых малых объёмах. Вместо нынешних технологических гигантов появятся тысячи средних и малых фабрик, от гаражных до промышленных, разбросанных по всему миру. Они будут обслуживать локальный и глобальный спрос на изготовление заказных чипов. Что касается клиентов, то заказать производство может кто угодно, даже физическое лицо с заказом на одну микросхему, без соглашений о неразглашении и другой бумажной волокиты. Всё предельно неформально, просто и недорого. Заказать малосерийное производство ИС будет так же легко и просто, как заказать печатную плату.

Что нужно для такого будущего — так это набор технологических узлов с открытым исходным кодом, чтобы обеспечить переносимость дизайна.

Для создания свободной индустрии важна также разработка нового производственного оборудования, обеспечивающего возможность производства в небольших объёмах с высокой гибкостью и основным упором на технологии безмасочной литографии. Ну и конечно появление опенсорсных инструментов EDA как LibrePCB — это уже хороший шаг вперёд.