Multi-project-wafer: chipontwerp testen zonder een fabriek te huren
Een chip laten maken is duur. Niet omdat het materiaal zoveel kost, maar omdat een fabriek pas rendabel draait als er grote aantallen tegelijk geproduceerd worden. Voor een student, een klein bedrijf of een onderzoeksgroep die maar één ontwerp wil testen, is een hele productieronde onbetaalbaar: al snel honderdduizenden tot miljoenen euro's. Een multi-project-wafer, afgekort MPW, lost dat op door de kosten te delen. Meerdere, volledig verschillende chipontwerpen worden samen op één silicium schijf (de 'wafer') geplaatst en in één productieronde gemaakt, waarna elk ontwerp achteraf wordt uitgezaagd en naar de eigen ontwerper gestuurd.
Het werkt een beetje als een verhuiswagen die door meerdere gezinnen wordt gedeeld: niemand heeft genoeg spullen om een hele vrachtwagen te vullen, maar samen wel, en dus deelt iedereen de huurkosten naar rato van de ruimte die hij inneemt. Bij een MPW betaalt elk ontwerpteam alleen voor het stukje wafer (de 'die-oppervlakte') dat het zelf gebruikt, in plaats van voor de volledige plaat. Dat maakt het mogelijk om voor een paar duizend tot enkele tienduizenden euro's toch een echt werkend prototype van een chip te laten fabriceren, iets wat zonder deze aanpak vrijwel alleen grote bedrijven konden betalen.
Wat is het precies?
Een chip ontstaat door laagje voor laagje patronen aan te brengen op een ronde plak silicium, de wafer. Die patronen komen van maskers (ook wel reticles genoemd): sjablonen waarmee licht in een bepaald patroon op de wafer wordt geprojecteerd, vergelijkbaar met een diaprojector die telkens een nieuwe laag tekent. Het maken van deze maskers is een groot deel van de kosten van een productieronde, en die kosten zijn min of meer hetzelfde ongeacht of er één ontwerp of tien ontwerpen op staan.
Bij een MPW plaatst een 'broker' of bemiddelaar, een organisatie die de contacten met de chipfabriek (foundry) onderhoudt, de ingezonden ontwerpen van verschillende klanten naast elkaar op datzelfde masker. Elk ontwerp krijgt een stukje van de beschikbare oppervlakte, vaak enkele vierkante millimeters, en moet zich houden aan strikte technische regels (design rules) die de foundry oplegt: hoe dicht lijntjes bij elkaar mogen liggen, welke materialen gebruikt worden, welke spanningen zijn toegestaan. Die regels staan beschreven in een zogeheten PDK (Process Design Kit), een technisch handboek en softwarepakket waarmee ontwerpers hun chip kunnen tekenen en simuleren voordat hij naar de fabriek gaat.
Na de belichting doorloopt de wafer de normale productiestappen: etsen, doteren, metalliseren, noem maar op, net als bij een reguliere productieronde. Pas aan het eind wordt de wafer met een precisiezaag versneden, waarbij elk ontwerp zijn eigen setje chips (dies) krijgt. Die worden vervolgens verpakt (in een behuizing gebonddraad of via andere technieken) en teruggestuurd naar de opdrachtgever, die ze op een testplatform kan aansluiten.
Wat wil men ermee bereiken?
Het belangrijkste doel is toegankelijkheid: de drempel om een eigen chip te laten maken zo laag mogelijk houden. Zonder MPW's zouden universiteiten, kleine bedrijven en onderzoeksinstellingen vrijwel nooit een eigen ontwerp in silicium kunnen testen, en zou chipontwerp een terrein blijven van een handvol grote, kapitaalkrachtige spelers.
Voor onderwijs is dit cruciaal: studenten elektrotechniek leren pas echt hoe chipontwerp werkt als ze hun eigen ontwerp terugkrijgen als werkend stukje silicium, met alle onvolkomenheden en verrassingen die daarbij horen. Voor onderzoekers is een MPW vaak de enige manier om een nieuw idee, bijvoorbeeld een energiezuinige processorarchitectuur of een sensor, daadwerkelijk te valideren in echte hardware in plaats van alleen in simulatie.
Voor start-ups en kleine bedrijven is een MPW-run bovendien een manier om een eerste prototype te maken voordat ze investeerders overtuigen om een volledige, exclusieve productieronde te financieren. En sinds enkele jaren speelt er nog een derde motief mee: het toegankelijker maken van chipontwerp draagt bij aan een breder, opener ecosysteem rond hardware, vergelijkbaar met wat open source deed voor software.
Voorbeelden uit de praktijk
MOSIS, opgericht in 1981 aan het Information Sciences Institute van de University of Southern California, geldt als een van de oudste nog actieve MPW-diensten. Het ontstond in het kielzog van de zogeheten Mead-Conway-methode, een ontwerpaanpak uit dezelfde periode die chipontwerp voor het eerst systematisch onderwijsbaar maakte.
Europractice is het Europese equivalent, met wortels in het Franse CMP (Circuits Multi-Projets), dat rond dezelfde tijd als MOSIS ontstond. Europractice IC Service werkt nauw samen met het Belgische onderzoeksinstituut IMEC en biedt Europese universiteiten en onderzoeksgroepen tegen gereduceerd tarief toegang tot commerciële foundries zoals TSMC, X-FAB en GlobalFoundries.
In 2020 lanceerden Google, de Amerikaanse chipfabrikant SkyWater Technology en het bedrijf Efabless een opvallend initiatief: een volledig gratis, open-source MPW-shuttle voor ontwerpen gemaakt met een eveneens open-source PDK (bekend als 'sky130', naar het 130-nanometerproces van SkyWater). Iedereen mocht meedoen, mits het ontwerp openbaar werd gemaakt. Dit programma, later voortgezet onder de naam chipIgnite, verlaagde de drempel tot bijna nul en gaf een impuls aan de opkomende open-source-hardwarebeweging rond de RISC-V-processorarchitectuur.
TSMC, de grootste commerciële chipfabriek ter wereld, biedt via zijn zogeheten CyberShuttle-programma eveneens gedeelde productieruns aan, vooral gericht op bedrijven en onderzoeksinstellingen die geavanceerdere procestechnologie nodig hebben dan de oudere, goedkopere nodes van de academische shuttles.
Hoe ver is de techniek?
Het concept van de multi-project-wafer zelf is niet nieuw: het bestaat al meer dan veertig jaar en is een volwassen, beproefd bedrijfsmodel. Wat wél verandert, is de schaal en de openheid ervan. Waar MPW-toegang lange tijd vooral was voorbehouden aan universiteiten met de juiste contacten en aan bedrijven die flink konden betalen, is er sinds de gratis open-source shuttles rond 2020 een nieuwe groep hobbyisten en kleine ontwikkelaars bijgekomen die zelf chips kunnen laten maken.
Een belangrijke beperking blijft de doorlooptijd: een MPW-run wordt niet continu aangeboden, maar volgens een vast schema, bijvoorbeeld eens per paar maanden, wanneer de foundry genoeg deelnemers heeft verzameld om een volledige wafer te vullen. Wie te laat inschrijft, moet wachten tot de volgende ronde, wat het ontwikkelproces trager maakt dan bij software, waar een nieuwe versie in principe direct getest kan worden.
Daarnaast blijven MPW's beperkt tot relatief kleine hoeveelheden chips (vaak enkele tientallen exemplaren per ontwerp) en tot oudere, minder geavanceerde procestechnologie dan de allernieuwste chips in bijvoorbeeld smartphones. De allerkleinste, modernste procesknopen (enkele nanometers) zijn zelden of nooit via een MPW beschikbaar, omdat de maskerkosten daar zo hoog zijn dat zelfs delen nauwelijks helpt, en omdat deze processen vaak onder strenge exportcontrole vallen. Ook is een fout in het eigen ontwerp niet altijd te herstellen vóór de volgende ronde, wat betekent dat ontwerpers zorgvuldig moeten simuleren voordat ze inzenden.
Wie werken eraan?
Aan de aanbodkant staan de foundry's: bedrijven als TSMC (Taiwan), GlobalFoundries (VS/Singapore), X-FAB (Duitsland/wereldwijd), SkyWater Technology (VS) en Samsung (Zuid-Korea) stellen productiecapaciteit beschikbaar voor gedeelde runs.
Tussen ontwerper en foundry in staan de bemiddelende organisaties: MOSIS in de Verenigde Staten, Europractice in Europa (een samenwerking waarin onder meer IMEC in België een centrale rol speelt), CMC Microsystems in Canada en het bedrijf Efabless, dat de open-source shuttles met Google en SkyWater organiseert. Onderzoeksinstituten zoals IMEC (België), Fraunhofer-Institut (Duitsland) en CEA-Leti (Frankrijk) ontwikkelen bovendien zelf geavanceerde processen, onder meer voor silicium-fotonica, die via vergelijkbare gedeelde runs toegankelijk worden gemaakt voor onderzoekspartners.
Ten slotte is er een groeiende gemeenschap van open-source-hardwareontwikkelaars, vaak verbonden aan de RISC-V-beweging en organisaties zoals de FOSSi Foundation, die de gratis of goedkope shuttles gebruiken om eigen, vrij te delen chipontwerpen te testen.