Introduction of ISHI-KAI with OpenMPW
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Introduction of ISHI-KAI with OpenMPW
- 1. 半導体（ASIC/LSI/IC）の 民主化の始まり ～自作半導体の作り方～ ODC2023 今村謙之 (Noritsuna Imamura) ＠ ISHI会 noritsuna@ishi-kai.org
- 2. 本講演のターゲット層 • 市販のICを用いた基板設計に限界を感じている • 自作半導体（AISC/LSI/IC）が作りたい！ 省電力、省スペースに悩んでいる方 • FPGAでの処理に限界を感じている • 自作半導体（ASCI/LSI/IC）が作りたい！ 処理速度不足に悩んでいる方 • どんなものでもよいのでオレオレ半導体を作ってみたい方 半導体（ASIC/LSI/IC）の製造に興味のある初心者
- 3. アジェンダ • ISHI会とは？ • 知りたいことは？ • どうやって作るの？ • 初心者向け教材 • 国内コミュニティー紹介 • 今後のイベント紹介 • みんなで作れば怖くない！
- 4. ISHI会とは？
- 5. ISHI会とは？ • オープン化（民主化）されたISHI=石=Silicon=半導体（ASIC/LSI/IC）を扱い、いろいろな分野を 繋げていくソサエティー・コミュニティー（会）から発想されたネーミングです。 • その先駆けとして登場したOpenMPW(Open Multi Project Wafer)は、Google社がEfabless社に出 資して生まれたシャトルプログラムであり、半導体（ASIC/LSI/IC）を作るうえで必要なツー ル（EDA/PDK）からファブでのISHI製造まで含めて、すべてオープン＆無料で半導体 （ASIC/LSI/IC）を製造することができるプログラムです。 これはまさにGNUから始まった オープンソースムーブメント（ソフトウェアの民主化）の「半導体（ASIC/LSI/IC）やEDA/PDK のオープン化」であります！ • そこで、本会は、これまでの半導体（ASIC/LSI/IC）の専門家だけではなく、これからの半導 体（ASIC/LSI/IC）のオープンソースムーブメントに可能性を見出した人たちと新しく半導体 （ASIC/LSI/IC）を作りたい人たちにスポットを当てたユーザソサエティー・コミュニティー （会）として立ち上がりました。 • 専門家だけが利用可能だったOSやコンパイラ、ライブラリ、アプリ、電子基板、3D CADや3D プリンターがオープンソースソフトウェア、オープンハードウェア、オープンモデリングな どとして誰もが利用できるようになったように、半導体（ASIC/LSI/IC）やEDA/PDKを誰もが利 用できる世界を目指して活動していく所存です。 • 今後の活動方針としては、他分野の人たちを巻き込んで半導体（ASIC/LSI/IC）分野に革命を 起こすという方針で、他分野向けの超初心者向けハンズオンセミナーや専門家向けの濃い内 容の勉強会などのイベントを開催したり、チームを作ってOpenMPWシャトルや世界の Chipathonに挑戦したり、Maker Faireなどのイベントへの参加をしていきたいと思いますので、 よろしくお願いいたします。 半導体を作ってみたい初心者を支える コミュニティー ISHI会＝Inter-linked Society on Homemade IC Kai ≠医師会
- 6. 活動場所 ● ホームページ ○ Github pages ■ https://ishi-kai.org/ ● Discord上で活動中 ○ https://discord.gg/RwAWF5mZSR ● イベント告知（勉強会など） ○ connpass ■ https://ishikai.connpass.com/
- 7. で、何しているの？
- 8. その前に・・・
- 10. 知りたいことは？
- 12. RISC-V CPU （デジタル） • オープンソースで提供されている命令セット アーキテクチャ（ISA） • オープンソースであり、誰もが使え、ライ センス料が無料、契約の必要なし • 拡張性が高く、必要な命令だけを選択して 実装できる • 多様性があり、様々な用途やアプリケー ションに対応できる
- 13. AnalogDiscovery2 （アナログ） • 2chオシロスコープ (14bit, 100 MSa/s) • 2ch 任意波形発生器 (14bit, 100 MSa/s) • 16chパターンジェネレータ (100 MSa/s) • 16ch 仮想デジタルIO • 16chロジックアナライザ • 2入力/出力デジタルトリガ • 2出力プログラマブル電源 (5 V，2.1 W) • 電圧計 (AC/DC) • ネットワークアナライザ (10 MHz) • スペクトラムアナライザ • バスアナライザ (SPI, I2C, UART, パラレル)
- 14. どうやって作るの？
- 17. 設計ツール：デジタル 17
- 18. 設計ツール：アナログ 18
- 19. OpenMPWとは？ 19
- 20. 20 主催 Google社・eFabless社 ファブ SkyWater Technology Foundry社/Global Faundries社 プロセスルール 130nm/180nm レイヤー数 6層 ユーザエリアサイズ 10mm * 10mm パッケージ QFN 製造チップ数 300個 評価ボード（電源やデバッグ用ポー トを装備） 5枚 シャトルタイミング 偶数月に1回 現在不定期 料金 無料（有料プラン有り） ツール類 全てオープンソースソフトウェアとして公開 制限 製造した回路はオープンソースで公開する必要がある（有料プランでは不要）
- 21. ここまで、理解できましたか？ ● 初心者でもこれらを理解して、半導体を 作れるようにサポートするのがISHI会です。 • 初心者向け単語集 • ワンタッチビルド環境 • サポート勉強会 ● ホームページ ■ https://ishi-kai.org/ ● Discord上で活動中 ○ https://discord.gg/RwAWF5mZSR
- 22. 初心者向け教材：デジタル
- 24. 必要な知識は？ • コンピュータサイエンス • デジタル回路 • VerilogやHDLの言語知識 • コンピュータアーキテクチャ
- 28. 8bit CPU
- 29. 初心者向け教材：アナログ
- 33. Inverter設計
- 35. ISHI会 第1回ハンズオンセミナー Siliwiz で知識0から始めるIC設計 土谷 亮 / Akira Tsuchiya a_tsuchiya@ieee.org 35 2023/05/07
- 36. 構造を分解する
- 37. パズルになっちゃ いました！
- 38. • 10/14-15(土・日) • Maker Faire Tokyo 2023 • ASICパズル • 名刺製作
- 39. 国内コミュニティーの紹介
- 40. Make LSI: • 最古のオープンソースPDKプロジェ クトの一つ • https://scrapbox.io/makelsi/ • OpenRule1umPDK • https://github.com/MakeLSI/O penRule1um
- 42. ISHI会グランドデザイン 「みんなの経験をチップに！」 他業界の現状（限界感） ● 高速・小型・省電力の要求 ○ 汎用チップ＋ソフトでは限 界 ISHI会の意義 ○ 他（多）分野の知識の統合により、今までになかった研究・開発への期待 ASIC(LSI)業界の現状（閉塞感） ● NDAでなにもしゃべれない ● 最先端は札束の応酬 ○ 若者が入ってこない コミュニティーの意義 ● 成果の再利用が可能。Do It With Others(それ、みんなでやってみよう)の精神 ● 日本の利点：地理的に物理的に集まりやすく、勉強会や合宿をやりやすい ASIC(LSI)化したい けど情報がない OpenMPWの登場！ 新規分野を開拓したいけ どどうすればよいのかわ からない すべてがオープン！
- 43. 今後のイベント紹介
- 44. イベント • 明日（8/27）in渋谷GMO Yours • 月例イベント：ライセンス勉強会 • Connpass上で募集 • 10/14-15(土・日) • Maker Faire Tokyo 2023 • ASICパズル • 名刺製作
- 45. 現在進行中 • Chipathon 日本チーム • まもなくキックオフ！ • 定例もくもく会（水曜日21時～） • Discord上 • AI回路生成 • 9月に出す • OpenMPW開発環境 • 作成中！ • 初心者向けの単語集 • 作成中！ https://ishi-kai.org/links/
- 46. みんなで作れば怖くない！
- 48. Chipathon2023の目標
- 49. Team Japan
- 50. Team Japan 担当ブロック • PLL : クロック信号を生成 • Voltage reference : 基準 電圧、基準電流を生成 • Voltage monitor : 各部の 電圧 (DC) をモニタする
- 52. PLL構成 PFD CP LPF VCO DIV ref_clock clock_out (to other blocks) disable clock_out free_run Vctrl Blocks • PFD (Phase-Frequency Detector) : 位相周波数比較器 • CP (Charge-Pump) : チャージポンプ • LPF (Low-Pass Filter) : 低域遮断フィルタ • VCO (Voltage-Controlled Oscillator) : 電圧制御発振器 • DIV (Divider) : 分周器 Pins • ref_clock (D, in): 参照クロック • clock_out (D, out): 出力信号 (クロック) • free_run (D, in): VCOフリーランモード (PLLの帰還制御を無効化、VCOの性能確認用) • Vctrl (A, in): VCO制御電圧 (free_runモード用) • disable (D, in): 他ブロックへのクロック供給停止 (他ブロックを外部クロックで動かすとき用)
- 53. Voltage Reference 構成 BGR CS Vref Blocks • BGR (BandGap Reference) : バンドギャップリファレンス • CS (Current Source) : 電流源 Pins • Vref (A, out): BGR出力電圧 • Iref (A, out): 電流源出力 (電圧に変換して出力) other blocks other blocks (DAC?) Iref
- 54. Voltage Monitor 構成 SR SR LPF CDAC COMP SAR Logic + − SAR ADC select reset SR_clock mon_out Vin Voltage follower Selector other blocks Blocks • SR (Shift-Register) : シフトレジスタ (SIPO/PISO) • Selector : モニタ選択 • Voltage follower : ボルテージフォロワ • LPF : ローパスフィルタ • SAR ADC : ADC Pins • select (D, in): 選択信号 • mon_out (D, out): 出力 • SR_clock (D, in): SR用クロック • reset (D, in): SRリセット • Vin (A, in): 動作確認用電圧入力
- 55. Team Japan担当分け
- 56. ご清聴ありがとう ございました ● ホームページ ○ Github pages ■ https://ishi-kai.org/ ● Discord上で活動中 ○ https://discord.gg/RwAWF5mZSR ● イベント告知（勉強会など） ○ connpass ■ https://ishikai.connpass.com/
Editor's Notes
- 半導体作りたい人向けという話。
- 40分 結構初心者
- 読ませる気はない。 医師会じゃないよ！
- フワッとしていて意味が分からないですよね？
- 最終確認です。
- 意識合わせ。 一流の最底辺レイヤー技術者へ一歩踏み出す覚悟が出来ましたよね？
- と、言われても・・・わかりませんよね？ まずは、入り口から行きましょう。
- 他にもMEMS回路やSi以外の素材を使ったICなどもある。 基本は、この二つ。
- これらをやるのに必要なことを解説していきます。 設計～製造（封入＝パッケージングは混みにするのが普通）までを見ていきましょう。
- デジタル用の設計ツール。 VerilogやHDLのファイルを読み込んで、ASICのレイアウトに変換しているだけです。 FPGAを使ったことある人であれば、bitstreamを作る作業と同じです。 なので、トラブルさえなければ、FPGAと同じような操作となります。
- 基板設計に近いです。 回路設計（スケマ）して、シミュレーションして、アートワーク（レイアウト）します。
- Googleがやっているシリコンを製作するサービスがある。OpenMPWやオープンシリコンなどと呼ばれています。 では、どんなサービスかというと、
- 130nmや180nmで作れます。 RISC-Vの32bitコアなら10個くらい余裕で載ります。 商用のEDAツールは、数億円します。 一シャトル、安いのでもTSMCだと800～1000万円。
- たぶん、初めての方ですと「EDAツール」とか「シャトル」とか、ぜんぜん、わからないと思います。 そして、重要なことの一つが、NDAです。 商用のEDAツールやファブの情報は一切公開できません。 ましてや、EDAツールのエラーメッセージなんて、意味不明です。
- その一端をご紹介します。
- これ、何かわかりますか？
- ちなみに、これ、何をする回路かわかりますか？ デジタル回路の一部を作っています。
- NOT = ~ 本来のアナログであれば、ADCとかになるのですが、いきなりだとハードルが高いので、 このような単純な回路から始めています。 （アナログは、回路を解析することが一番重要なので、その解析法を学びます。）
- その一環でハンズオンセミナーなどをやっております。 今後も、企画していく予定です。
- 本日、持ってきましたので、興味のある方は声を変えてください。 懇親会などでお見せすることも可能です。
- この後もすぐに出てきますが・・・
- 我々以外にも半導体系コミュニティーはあります。
- こちらが、さきほどのコンピュータサイエンスの解説や用語集などを展開されています。 かなり密に連携している状況です。
- なんでこんなことになったのか？というと・・・ ラピダスさんとか話題ですけど、OSSの人間として、別のアプローチで半導体の世界を変えたい！ってことです。 ってことでやっているのが、ISHI会です。
- IEEEが主催の半導体設計コンテスト。 何かの半導体を期間内に設計して、製造することが目的。 だいたい、国か大学単位に参加している。
- 今年の目標は、大きく、AnalogDiscovery2をチップ化しちゃいましょうという目標。 これを機能単位で、各チームが作っていく感じです。
- 日本チームが結成されました！ このChipathon初の産学共同チームです！ ISHI会上で活動しています。 でも、「初心者の俺には関係ないな」とかお思いではないですか？
- 実は違うのです。 目的は、「そういう初心者に半導体を知ってもらうこと」なのです。
- まだ、担当はスカスカですので、ぜひ、ご参加を！！！
- このページだけ、写真に撮って帰っていただければ、幸いです。