Process Design Kit: het receptenboek achter elke chip
Een Process Design Kit, kortweg PDK, is een verzameling bestanden en regels die een chipfabriek (in de industrie een foundry genoemd) beschikbaar stelt aan ontwerpers. Zonder deze kit kun je geen bruikbaar ontwerp maken voor een specifieke fabriek: elke fabriek heeft haar eigen machines, materialen en procesjes, en die bepalen precies wat er wel en niet op een stukje silicium getekend mag worden.
Vergelijk het met een kookboek van een specifieke keuken. Je kunt een prachtig recept bedenken, maar als je niet weet welke oven, welke temperatuur en welke ingrediënten die ene keuken gebruikt, wordt je gerecht nooit precies zo als bedoeld. Een PDK is dat receptenboek voor een chipfabriek: het beschrijft welke bouwstenen (transistors, geleidende lagen, isolatie) beschikbaar zijn, hoe klein en hoe dicht bij elkaar je mag tekenen, en hoe die bouwstenen zich elektrisch gedragen zodra ze daadwerkelijk in silicium zijn gebakken.
Wat is het precies?
Een PDK bestaat uit verschillende onderdelen die samen een chipontwerp mogelijk maken. Ten eerste zijn er de ontwerpregels (design rules): minimale afstanden, breedtes en overlappen die gehaald moeten worden, omdat de fabricagemachines nu eenmaal niet oneindig precies zijn. Een speciaal controleprogramma, de Design Rule Check (DRC), toetst een ontwerp automatisch aan die regels.
Ten tweede bevat een PDK elektrische modellen van de bouwstenen, meestal in een taal die SPICE heet. Deze modellen voorspellen hoe een transistor zich in de praktijk gedraagt: hoeveel stroom hij doorlaat, hoe snel hij schakelt, hoeveel warmte hij ontwikkelt. Zonder die modellen kun je een ontwerp wel tekenen, maar niet vooraf simuleren of het ook werkt.
Ten derde levert een PDK vaak een bibliotheek van standaardcellen: kant-en-klare bouwblokjes zoals poorten (AND, OR, NOT) en geheugenelementen, al getekend en getest volgens de regels van die specifieke fabriek. Ontwerpers combineren duizenden tot miljoenen van zulke cellen tot een complete chip, ongeveer zoals je met voorgebakken bouwstenen een Lego-huis zet in plaats van elke steen zelf te vormen.
Tot slot bevat een PDK meestal ook regels voor Layout versus Schematic-controle (LVS), waarmee gecheckt wordt of de getekende laag-voor-laag-tekening daadwerkelijk overeenkomt met het bedoelde elektrische schema, en gegevens voor het inschatten van parasitaire effecten: ongewenste elektrische bijverschijnselen die ontstaan doordat draden en lagen dicht op elkaar liggen.
Wat wil men ermee bereiken?
Het doel van een PDK is simpel: ervoor zorgen dat een ontwerp dat op papier (of eigenlijk: in software) goed werkt, ook echt werkt zodra het in een fabriek van silicium wordt gemaakt. Chipfabricage is extreem duur en foutgevoelig; een enkele proefronde in een moderne fabriek kan miljoenen euro's kosten. Een PDK voorkomt dat ontwerpers dure verrassingen tegenkomen na productie, door vooraf zo goed mogelijk te simuleren en te controleren.
Van oudsher waren PDK's strikt vertrouwelijk. Foundries zoals TSMC of Samsung geven hun PDK alleen aan klanten die een geheimhoudingsovereenkomst (NDA) tekenen, omdat de kit veel prijsgeeft over hun productieproces. Dit maakte chipontwerp tot een gesloten wereld, toegankelijk voor grote bedrijven met de juiste contracten en budgetten, maar vrijwel onbereikbaar voor studenten, hobbyisten of kleine onderzoeksgroepen.
Sinds enkele jaren is daar een tegenbeweging ontstaan: open source PDK's. Het idee is dat een fabriek een oudere, minder concurrentiegevoelige procesgeneratie vrijgeeft onder een open licentie, zodat iedereen er gratis mee kan ontwerpen. Dit sluit aan bij de bredere open source-beweging in software en heeft als expliciet doel de drempel tot chipontwerp te verlagen, onderwijs te ondersteunen en innovatie buiten de gevestigde grote spelers mogelijk te maken.
Voorbeelden uit de praktijk
Het meest aangehaalde voorbeeld is SKY130, een PDK voor een 130-nanometer-procesnode van de Amerikaanse foundry SkyWater Technology. In 2020 maakten SkyWater en Google deze PDK volledig open source, in samenwerking met het platform efabless. Dit was destijds de eerste keer dat een PDK voor een echt productierijp, in massa gefabriceerd proces vrij beschikbaar kwam, inclusief documentatie, modellen en standaardcellen.
Kort daarna volgde GF180MCU, een open PDK voor een 180-nanometer-proces van GlobalFoundries, eveneens tot stand gekomen met steun van Google en efabless. Deze node is vooral geschikt voor eenvoudigere chips zoals microcontrollers, sensoren en analoge schakelingen.
In Duitsland bracht het Leibniz-Institut für innovative Mikroelektronik (IHP) een open PDK uit voor zijn SG13G2-proces, een 130-nanometer BiCMOS-technologie die geschikt is voor radiofrequente (RF) en hogesnelheidstoepassingen, en zelfs voor experimenten met fotonica op chip. Dit was een van de eerste Europese bijdragen aan het open-PDK-landschap.
Rond deze open PDK's ontstonden ook praktische ontwerpprojecten. Een bekend voorbeeld is Caravel, een referentiechip die door efabless werd gemaakt als een soort 'omhulsel' waarin studenten en hobbyisten hun eigen, kleine digitale ontwerp konden laten meebakken op een gedeelde silicium-wafer. Via zogeheten multi-project-wafer-runs (MPW), waarbij de kosten van één wafer over tientallen tot honderden kleine projecten worden verdeeld, konden zo honderden ontwerpen van universiteiten en particulieren daadwerkelijk fysiek geproduceerd worden, iets dat voorheen ondenkbaar was zonder groot budget.
Op softwarezijde is het OpenROAD-project vermeldenswaard: een open source gereedschapsketen, mede ondersteund door Amerikaans defensieonderzoeksbureau DARPA en ontwikkeld bij onder meer de University of California San Diego, die een compleet digitaal ontwerp automatisch kan omzetten van een functionele beschrijving naar een productieklare laag-voor-laag-tekening (GDSII), afgestemd op open PDK's zoals SKY130.
Hoe ver is de techniek?
Open source PDK's zijn inmiddels een gevestigd, werkend fenomeen, maar met duidelijke beperkingen. De vrijgegeven procesnodes zijn bewust ouder en minder geavanceerd: 130 tot 180 nanometer is qua transistorgrootte vele generaties verwijderd van de modernste commerciële chips, die tegenwoordig op 3 nanometer of kleiner worden gemaakt. Voor snelle processoren of geavanceerde AI-chips zijn deze open PDK's dus niet bruikbaar; ze zijn vooral geschikt voor onderwijs, onderzoek, eenvoudige sensoren, analoge schakelingen en experimentele ontwerpen.
De bijbehorende open source ontwerpgereedschappen, zoals OpenROAD, Magic en KLayout, zijn de afgelopen jaren sterk verbeterd, maar blijven op punten achter bij de commerciële software van gevestigde bedrijven als Synopsys en Cadence, die decennia aan ontwikkeling en optimalisatie hebben. Handmatige nabewerking en expertise blijven vaak nodig om een ontwerp echt productieklaar te krijgen.
Ook de organisatorische kant is nog volop in beweging. Programma's die gratis of goedkope fabricageruns aanboden, zoals via efabless, zijn afhankelijk van sponsoring (met name van Google) en van de bereidheid van foundries om productiecapaciteit beschikbaar te stellen. Dit soort initiatieven heeft de afgelopen jaren pieken en dalen gekend qua beschikbaarheid en financiering; wie een actueel project overweegt, doet er goed aan de officiële kanalen te raadplegen voor de meest recente stand van zaken, aangezien dit een snel veranderend veld is.
Wie werken eraan?
Aan de kant van de traditionele, gesloten PDK's staan de grote commerciële foundries: het Taiwanese TSMC (marktleider), Samsung Foundry, GlobalFoundries (Verenigde Staten), Intel Foundry, het Taiwanese UMC en het Chinese SMIC. Zij leveren PDK's exclusief aan betalende klanten.
Aan de open source-kant is Google een drijvende kracht geweest, met financiering en technische steun voor de vrijgave van SKY130 en GF180MCU. SkyWater Technology, een Amerikaanse foundry gevestigd in Minnesota, en GlobalFoundries leverden de daadwerkelijke procestechnologie. Het platform efabless speelde een centrale rol in het organiseren van gezamenlijke fabricageruns en het beheren van ontwerptools voor de gemeenschap.
In Europa is het Duitse onderzoeksinstituut IHP een belangrijke speler met zijn open BiCMOS-PDK. Op softwaregebied werkt het OpenROAD-project, met steun van DARPA en onderzoekers van onder meer de University of California San Diego, aan de automatiseringsgereedschappen die deze PDK's bruikbaar maken. Daarnaast houden gemeenschapsinitiatieven als de FOSSi Foundation zich bezig met het bevorderen van open source chipontwerp in bredere zin, vaak in combinatie met open instructieset-architecturen zoals RISC-V.