ساخت تراشه پیشرفته با ۲۰۰ دلار برای همه ممکن شد

به گزارش خبرگزاری آنا؛ فرآیند ساخت یک تراشه سفارشی تا همین چند سال پیش، در انحصار کامل شرکت‌های بزرگ فناوری با بودجه‌های هنگفت قرار داشت. هزینه‌های سرسام‌آور لایسنس نرم‌افزارهای طراحی، دسترسی محرمانه به کیت‌های طراحی فرآیند از سوی کارخانه‌های تراشه‌سازی و هزینه چند صد هزار تا چند میلیون دلاری برای یک ارسال نهایی طرح به خط تولید (Tapeout)، دیواری بلند به دور این صنعت کشیده بود. اما این دیوار در سال‌های اخیر به لطف یک جنبش استراتژیک در جهت باز کردن دسترسی‌ها، فرو ریخته است.

اکنون سکوهایی نظیر TinyTapeout به افراد اجازه می‌دهند تا طرح‌های دیجیتال ساده خود را با هزینه‌ای در حدود ۱۸۵ یورو به یک تراشه فیزیکی و واقعی تبدیل کنند. این مهم از طریق مدل ویفر چندپروژه‌ای که با نام «شاتل» نیز شناخته می‌شود، امکان‌پذیر شده است. در این روش، به جای آنکه یک نفر هزینه کامل تولید یک ویفر سیلیکونی را بپردازد، فضای ویفر بین صدها طرح کوچک تقسیم شده و هزینه‌ها بین تمام شرکت‌کنندگان تقسیم می‌شود.

این مدل، هزینه را از میلیون‌ها دلار به چند صد دلار کاهش داده و عملاً ساخت تراشه را برای اهداف آموزشی، تحقیقاتی و نمونه‌سازی‌های اولیه دموکراتیک کرده است.

فرآیند پرهزینه Tapeout

برای درک کامل ابعاد این تحول، ضروری است که فرآیند سنتی Tapeout توضیح داده شود؛ همان مانعی که برای دهه‌ها، هزینه بالا و انحصار را در این صنعت تعریف می‌کرد. اصطلاح Tapeout ریشه در دورانی دارد که داده‌های نهایی طراحی روی نوار‌های مغناطیسی ذخیره و به صورت فیزیکی به کارخانه ارسال می‌شد. اگرچه امروزه این فرآیند کاملاً دیجیتال است، اما این نام همچنان به عنوان نمادی از نقطه اوج ماه‌ها یا سال‌ها تلاش مهندسی و مرحله انتقال بی‌بازگشت از فاز طراحی به فاز تولید باقی مانده است.

این فرآیند به دلیل پیامد‌های مالی سنگین آن، مرحله‌ای بسیار حیاتی محسوب می‌شود. فاز پیش از Tapeout شامل یک سری بررسی‌های دقیق و اعتبارسنجی‌های سخت‌گیرانه برای اطمینان از بی‌نقص بودن طرح است. مهندسان باید طرح منطقی را به یک نمایش فیزیکی تبدیل کنند که در آن، محل دقیق هر ترانزیستور و اتصالات آن مشخص شده است. در این مرحله، بررسی‌هایی مانند بررسی قوانین طراحی و مقایسه طرح فیزیکی با طرح منطقی انجام می‌شود. بررسی قوانین طراحی تضمین می‌کند که طرح فیزیکی با قوانین ساخت کارخانه مانند حداقل فاصله بین اجزا مطابقت دارد و مقایسه طرح فیزیکی با طرح منطقی تأیید می‌کند که طرح فیزیکی ایجاد شده، دقیقاً همان مدار منطقی اولیه را پیاده‌سازی می‌کند.

پیش از ارسال نهایی، مهندسان یک چک‌لیست دقیق را مرور می‌کنند که تمام جنبه‌های حیاتی تراشه از جمله شبکه‌های کلاک، سیگنال‌های ریست، یکپارچگی خطوط تغذیه، اتصالات ورودی/خروجی و مسیرهای محافظت در برابر تخلیه الکترواستاتیک را پوشش می‌دهد. لحظه Tapeout، یک تعهد مالی بزرگ و یک نقطه بدون بازگشت است.

پس از ارسال فایل نهایی طراحی، معمولاً با فرمت GDSII به کارخانه، فرآیند ساخت ماسک‌های نوری آغاز می‌شود. این ماسک‌ها، شابلون‌های بسیار دقیق و گران‌قیمتی هستند که در فرآیند فوتولیتوگرافی برای حک کردن الگوی مدار بر روی ویفر سیلیکونی استفاده می‌شوند. هزینه ساخت یک مجموعه کامل از این ماسک‌ها می‌تواند صد‌ها هزار تا میلیون‌ها دلار باشد.

کشف هرگونه خطا پس از این مرحله، به معنای نیاز به طراحی و ساخت مجدد مجموعه کامل ماسک‌ها، اتلاف سرمایه هنگفت و تأخیر‌های چند ماهه در پروژه است. همین ریسک و هزینه بالا بود که ساخت تراشه را به قلمرو انحصاری شرکت‌های بزرگ محدود کرده بود.

همکاری گوگل و اسکای‌واتر در سال ۱۳۹۹

ریشه این انقلاب به یک همکاری کلیدی در سال ۱۳۹۹ بازمی‌گردد. در این سال، گوگل با سرمایه‌گذاری و حمایت خود، شرکت تراشه‌سازی آمریکایی SkyWater را متقاعد کرد تا کیت طراحی فرآیند گره تولید ۱۳۰ نانومتری خود را به صورت کاملاً متن-باز و عمومی منتشر کند.

کیت طراحی فرآیند مجموعه‌ای از فایل‌ها و داده‌های فنی است که قوانین طراحی، مدل‌های ترانزیستور و اطلاعات فیزیکی لازم برای طراحی یک تراشه بر اساس یک فرآیند تولید خاص را در اختیار مهندسان قرار می‌دهد. تا پیش از این، کیت‌ها اسناد تجاری بسیار محرمانه‌ای بودند که فقط پس از امضای قراردادهای عدم افشای سفت و سخت و پرداخت مبالغ گزاف در اختیار شرکت‌های بزرگ قرار می‌گرفتند.

انتشار عمومی کیت طراحی ۱۳۰ نانومتری برای اولین بار به ابزارهای طراحی الکترونیک متن-باز مانند OpenLane ،Yosys و Magic اجازه داد تا به یک جریان کاری کامل و قابل استفاده برای تولید واقعی تراشه تبدیل شوند. پیش از این، این ابزارها عمدتاً در حاشیه و برای مقاصد آکادمیک استفاده می‌شدند، اما اکنون هر فردی می‌توانست روی لپ‌تاپ شخصی خود و با استفاده از نرم‌افزارهای رایگان، یک تراشه طراحی کند که قابلیت ساخت در یک فب واقعی را دارد.

کاهش چشمگیر هزینه‌ها و رشد تصاعدی جامعه طراحان

تأثیر این تحول بر هزینه‌ها و مشارکت جامعه جهانی، شگرف بوده است. در مدل سنتی که تا پیش از سال ۱۳۹۹ حاکم بود، هزینه ورود به دنیای طراحی تراشه سر به فلک می‌کشید.

هزینه لایسنس سالانه نرم‌افزارهای تخصصی طراحی به راحتی از صدهزار دلار فراتر می‌رفت و به بیش از یک میلیون دلار نیز می‌رسید. علاوه بر این، دسترسی به کیت طراحی فرآیند خود هزینه‌ای پنهان در قراردادهای محرمانه با کارخانه‌ها بود. در نهایت، هزینه اصلی یعنی ساخت ماسک‌های فوتولیتوگرافی و رزرو یک سیت در شاتل تولید، از پنجاه هزار دلار برای طرح‌های بسیار کوچک تا بیش از دو میلیون دلار برای طرح‌های پیچیده‌تر متغیر بود. مجموع این هزینه‌ها، نقطه شروع را برای هر پروژه‌ای به بیش از ۱۵۰ هزار دلار می‌رساند.

مدل جدید مبتنی بر اکوسیستم متن-باز، این موانع را تقریباً به طور کامل حذف کرده است. هزینه نرم‌افزار و دسترسی به کیت طراحی به لطف ابزارهای متن-باز و انتشار عمومی اطلاعات، به صفر رسیده است. هزینه ساخت نیز به واسطه پلتفرم‌هایی چون TinyTapeout که طرح‌های کوچک را در یک شاتل مشترک تجمیع می‌کنند، برای یک نمونه اولیه به حدود ۲۰۰ دلار کاهش یافته است. این به معنای یک کاهش هزینه بیش از ۹۹.۹ درصدی است که عملاً سد مالی را برای ورود به این عرصه از میان برداشته است.

انگیزه‌های استراتژیک و مقایسه فناوری

این اقدام از سوی گوگل و اسکای‌واتر صرفاً یک حرکت خیرخواهانه نبود، بلکه یک استراتژی برد-برد با اهداف بلندمدت است. برای SkyWater، این همکاری به معنای احیای اقتصادی یک خط تولید بالغ بود. فرآیند تولید ۱۳۰ نانومتری که حدود دو دهه از معرفی آن می‌گذرد، دیگر در رقابت برای ساخت پردازنده‌های پیشرفته موبایل یا سرور جایگاهی ندارد.

این همکاری، یک خط تولید کم‌استفاده را به یک منبع درآمد جدید و یک پلتفرم جهانی برای نمونه‌سازی تبدیل کرد. از سوی دیگر، انگیزه گوگل بسیار عمیق‌تر و معطوف به آینده است. این شرکت به دنبال تحقق چشم‌انداز سخت‌افزار همانند نرم‌افزار است که در آن، طراحی تراشه به صورت خودکار و با کمک هوش مصنوعی انجام می‌شود. برای رسیدن به این هدف، وجود یک جامعه بزرگ از طراحان، داده‌های طراحی متنوع و ابزارهای متن-باز ضروری است.

برای درک بهتر جایگاه این فناوری متن-باز، باید آن را با گره‌های تولید پیشرفته مقایسه کرد. فرآیند ۱۳۰ نانومتری اسکای‌واتر برای کاربردهایی نظیر اینترنت اشیاء، میکروکنترلرها و مدارهای آنالوگ/ترکیبی ایده‌آل است؛ حوزه‌هایی که در آن‌ها تراکم ترانزیستور و مصرف انرژی پایین، اولویت اصلی نیست. در مقابل، فرآیندهای پیشرفته مانند گره ۵ نانومتری شرکت TSMC که در سال ۱۳۹۹ به تولید انبوه رسید، برای ساخت پردازنده‌های پرقدرت موبایل، سرور و تراشه‌های هوش مصنوعی طراحی شده‌اند.

این گره‌های تولید، تراکم ترانزیستوری بیش از صد برابر بیشتر و بهره‌وری انرژی بسیار بالاتری دارند، اما دسترسی به آن‌ها کاملاً انحصاری، بسیار گران‌قیمت و محدود به بزرگترین شرکت‌های فناوری جهان است. بنابراین، باز شدن فرآیند ۱۳۰ نانومتری هیچ تهدیدی برای مدل کسب‌وکار فب‌های پیشرفته ایجاد نمی‌کند، بلکه بازاری کاملاً جدید و موازی را هدف قرار داده و به گسترش مرزهای صنعت کمک می‌کند.

چشم‌انداز آینده فراتر از یک تراشه ۲۰۰ دلاری

پیامدهای این تحول فراتر از ساخت تراشه‌های ساده توسط علاقه‌مندان است. این جنبش در حال شکل‌دهی به آینده صنعت در چند حوزه کلیدی است:

آموزش: دانشجویان مهندسی اکنون می‌توانند به جای تکیه بر شبیه‌سازی‌های نرم‌افزاری، دروس طراحی مدار مجتمع را با ساخت یک تراشه واقعی به پایان برسانند. این تجربه عملی، فرآیند یادگیری را عمیقاً متحول کرده و مهندسانی با درک واقعی‌تر از چالش‌های دنیای سیلیکون تربیت می‌کند.

تحقیق و نوآوری: محققان در دانشگاه‌ها و استارت‌آپ‌ها می‌توانند معماری‌های محاسباتی جدید را با هزینه بسیار پایین نمونه‌سازی و آزمایش کنند. این امر چرخه نوآوری را از چند سال به چند ماه کاهش داده و به تسریع پیشرفت‌های علمی و فناورانه کمک می‌کند.

تخصص‌گرایی: با کاهش موانع، انتظار می‌رود شاهد ظهور تراشه‌های بسیار تخصصی برای کاربردهای خاص باشیم که توسط تیم‌های کوچک و چابک طراحی می‌شوند و می‌توانند در حوزه‌هایی مانند پزشکی، کشاورزی هوشمند یا ارتباطات، کارایی بسیار بالاتری نسبت به تراشه‌های عمومی داشته باشند.

مسیری که با باز شدن یک گره تولید قدیمی آغاز شد، در حال هموار کردن راه برای آینده‌ای است که در آن طراحی سخت‌افزار از یک هنر سری و پرهزینه، به یک مهارت در دسترس و ابزارمحور تبدیل می‌شود و نوآوری در سیلیکون، دیگر محدود به چند شرکت غول‌پیکر نخواهد بود.