设计使用开源工具的芯片：Silicluster 的发展

在半导体设计领域，从零开始学习芯片设计的难度往往被低估，工具与知识层面的双重壁垒令人望而却步。但随着开源软硬件计划的兴起，想要迎接这一挑战的开发者迎来了新的机遇。

本文详细阐述了 Silicluster 芯片的全设计流程 —— 这款芯片全程基于开源工具开发，核心设计理念为易获取性与高性价比（见图 1）。

图 1：Silicluster、Silicluster Plus 及 Silicluster Pro 芯片规格书，展示三款芯片的各自核心特性

芯片设计之路的开端

踏上芯片设计之路，实属偶然。自儿时起，我便对各类事物的工作原理充满好奇，却从未想过这份好奇心会演变成对电子学的热爱。我的学术生涯先后完成了电子工程本科、电子设计硕士的学习，最终取得了同领域的博士学位。

但在后续的研究中，我深刻意识到，传统芯片设计工具的高昂成本与使用门槛成为了一大难题。在墨西哥的众多科研机构中，由于高端设计工具的授权费用高得令人却步，相关人员根本无法接触到这类工具。

这一现状促使我开始探索开源工具 —— 这类工具有望打破半导体设计的壁垒，而 Silicluster 芯片的研发也由此诞生。这款芯片的设计初衷，是为学生、教育工作者以及小型企业打造一款价格亲民、易于获取的芯片产品。

工具的安装与学习

研发过程中遇到的第一个难题，便是所需开源工具的安装。与拥有官方技术支持和完善文档的传统商用电子设计自动化（EDA）工具不同，使用开源工具更像是一场 “自助探索”。这是我首次接触各类开源工具：用于从寄存器传输级（RTL）到版图数据库（GDS）流程的 OpenLane，以及用于原理图绘制的 Xschem。尽管没有官方的支持体系，但活跃的开源社区与可查阅的文档，让我得以顺利入门。

安装过程的繁杂是最大的挑战之一：每款工具都有不同的依赖环境，即便完成安装，想要熟练运用还需跨过一道学习门槛。但这份付出最终收获了丰厚的回报，Magic、Netgen 以及 OpenLane 等开源工具，让我能够以远低于传统方案的成本，完成定制化芯片的设计与制造。

整个学习过程耗时良久，但开源社区的协作属性让这段经历变得更有价值。如今，得益于社区的知识共享与共同努力，这些开源工具的安装已变得相对简便，整体使用流程也顺畅了许多。

设计选型：打造 Silicluster 芯片

在确定芯片设计方向时，我的目标是打造一款能成为各类项目基础的芯片产品。最初的构想是，设计一款可集成多个小型模块（最多支持 256 个独立电路）、且能灵活处理数字和模拟信号的芯片，Silicluster 芯片也因此应运而生。

这款芯片的核心定位，是打造一个低成本开发平台：让多位开发者共享制造成本，同时各自开展独立的项目研发。芯片采用多路复用架构，每个研发项目对应的专用集成电路（ASIC）或多路复用器，均通过次级多路复用器实现连接，最终由一个中央多路复用器完成通路选择。该架构支持集成最多 16 个独立功能模块，实现了芯片面积的优化利用。

芯片设计的核心模块为8 位逐次逼近寄存器型（SAR）ADC，负责将模拟信号转换为数字信号（见图 2）。

图 2：8 位 SAR 型 ADC 的原理图

为实现芯片数字与模拟模块的兼容，配套设计了 8 位 DAC 模块作为补充（见图 3）。

图 3：8 位 DAC 的原理图

可在单一设计中同时集成模拟和数字电路，是 Silicluster 芯片最具吸引力的特性之一。这一特性为开发者提供了更多可能性，无需为不同功能单独设计芯片，即可搭建复杂的系统。

Silicluster 芯片的核心技术支撑

Silicluster 芯片基于 SkyWater 公司的 130 纳米工艺制程设计，该工艺是开源半导体项目的高性价比之选，兼具实用性与经济性。130 纳米工艺与开源工具的结合，大幅降低了芯片设计与制造的相关成本。

值得一提的是，本次研发过程中还有一个重要的中间协作方 ——Efabless 公司，该公司为设计者与芯片制造工厂搭建了沟通的桥梁。借助 Efabless 的平台，我得以利用现有的芯片制造基础设施，且无需承担传统设计模式的高昂成本。这次合作，是 Silicluster 芯片及其他相关项目能够落地的关键。

电路设计的学习过程

Silicluster 芯片的设计，要求我既要掌握电路设计的基本原理，也要熟悉打造一款数模混合信号芯片所需的各类细节。为做好设计准备，我查阅了经典的专业书籍与线上资源，例如 Allen 和 Holberg 所著的《CMOS Analog Circuit Design》，深入理解模拟电路的设计难点。

同时，我也学习了数字逻辑设计的相关教程与文档，重点研究了电路各组件之间的交互逻辑。这段学习经历让我深刻认识到，让电路的每个模块都实现高效工作，是芯片设计的核心要点。

本次设计的一大挑战是，需在芯片严苛的面积限制下，设计出一款分辨率达标的 ADC（见图 4），同时兼顾低功耗要求（见图 5、图 6）。

图 4：8 位 SAR 型 ADC 的仿真验证图

图 5：基于 Magic 工具设计的 8 位 SAR 型 ADC 版图

图 6：8 位 SAR 型 ADC 的等轴测视图

设计流程：原理图绘制、仿真验证、版图设计

在充分理解电路设计要求后，我正式进入了芯片的设计流程。第一步是使用 Xschem 工具完成原理图绘制。这一过程既充满成就感，也伴随着诸多困扰 —— 设计中需要为每个组件的配置做出大量决策。

原理图绘制完成后，我使用 ngspice 工具进行仿真验证，确保电路能够实现预期功能，图 7 为 DAC 模块的仿真验证结果。仿真验证能够有效发现各类问题，例如信号完整性问题、组件配置错误等，这些问题都可能影响芯片的最终功能。

图 7：8 位 DAC 的仿真曲线图

当原理图通过仿真验证后，设计进入版图设计阶段。这一阶段的挑战尤为突出，需要将设计好的电路适配到极小的芯片面积中。面积限制虽为设计创新提供了动力，却也造成了诸多设计瓶颈。

版图设计中，不仅要保证各组件的正确连接，还需通过合理布局最大限度减少组件间的干扰、提升芯片性能。这一过程需要经过多次迭代优化，因为每一个版图设计决策，都会影响后续的所有设计步骤（见图 8、图 9）。

图 8：基于 Magic 工具设计的 8 位 DAC 版图

图 9：8 位 DAC 的等轴测视图

版图设计完成后，我使用 Magic 和 OpenLane 工具完成后续的关键步骤：设计规则检查（DRC）、版图与原理图一致性检查（LVS），以及 GDSII 格式文件的生成。每个步骤都需要细致把控，确保最终的设计方案能够顺利完成制造，无任何工艺错误。

整个设计流程中，最难的部分是在芯片有限的面积内完成所有设计的调整与优化。为了兼顾芯片的面积、功耗与功能，我需要不断反复修改设计，这一过程虽令人疲惫，却是确保芯片能在实际场景中正常工作的必要环节。

经验总结与改进方向

Silicluster 芯片的设计过程复杂却极具价值，这段经历让我收获了诸多宝贵经验，其中最重要的是迭代优化与周密规划的重要性。现在回头来看，若能在设计初期投入更多时间优化芯片架构，使其更好地适配版图设计的限制，后续便能节省大量的时间 —— 研发中曾多次因面积限制而返工修改设计。

另一大收获是，使用开源工具设计芯片，需要足够的耐心与创新思维。研发过程中，我多次向开源社区寻求支持，无论是通过论坛、GitHub 的问题反馈区，还是查阅海量的技术文档。让各类开源工具协同高效工作的过程，让我深刻体会到坚持与协作的价值。

未来规划

展望未来，计划继续优化 Silicluster 芯片，为其集成更多新功能。核心目标是提升芯片的能效，同时探索更先进的制造工艺，例如采用更先进的制程，或集成更复杂的数模转换机制。此外，还将整理一套详尽的教程，帮助更多人运用这些开源工具设计属于自己的芯片，让芯片设计变得更易上手。

除了优化现有芯片，也有诸多新的项目构想，例如研发一款面向物联网（IoT）应用的新型低功耗微控制器芯片。这款芯片将以 Silicluster 芯片的设计经验为基础，针对特定市场做更精准的设计。

最终思考：是否推荐尝试？

对于有数字或模拟电路设计经验的开发者，强烈推荐尝试使用开源工具设计芯片。这一过程虽最初看似艰难，但带来的学习价值是无价的，更是拓展知识、积累半导体设计实操经验的绝佳方式。

对于零基础的初学者，建议先从简单的项目入手，再尝试挑战 Silicluster 这类复杂的芯片设计。但无论是否有设计经验，如今丰富的开源工具与资源，都让芯片设计变得比以往任何时候都更易获取、更贴近大众。