IEEE JSSC更新|Tiny Tapeout：让每个人都能设计定制芯片

简介

由于成本高昂且需要专业技术，设计和制造定制集成电路的传统上仅限于大型公司和机构。然而，名为Tiny Tapeout的创新项目正在改变这一现状，让业余爱好者、学生和小型团队也能设计定制芯片。本文将探讨Tiny Tapeout的工作原理，以及如何使用它来创建自己的专用集成电路（ASIC）。

什么是Tiny Tapeout?

Tiny Tapeout是一个多项目芯片平台，大大降低了定制芯片设计的门槛。可以将数百个小型设计整合到一个芯片上，从而分担制造成本，同时让每个设计者都能收到并测试包含其设计的物理硬件。

Tiny Tapeout的主要功能包括：

• 使用开源设计工具和工艺设计套件（PDK）
• 基于云的设计流程，无需安装本地软件
• 低成本——每项设计通常不到100美元
• 保证提交的设计能够制造
• 社区支持和协作学习

每次Tiny Tapeout生产运行（或"穿梭"）会将约400个独立设计整合到一个芯片上。制造完成后，这些芯片将被安装到演示板上，以便于测试和连接。）

如图1所示，Tiny Tapeout吸引了来自各行各业的参与者，其中不乏业余爱好者、学生或教育工作者。这使其成为学习和试验定制芯片设计的绝佳平台。

设计流程

为Tiny Tapeout创建设计需要经过以下步骤：

1. 根据提供的模板创建GitHub存储库

2. 使用Verilog HDL或Wokwi可视化编辑器开发设计

3. 记录设计

4. 通过自动测试系统提交设计

5. 如果所有测试都通过，则提交到下一个可用班车

让我们更详细地研究一下这些步骤。

1.创建您的资源库

首先访问[Tiny Tapeout网站]（https：//http://tinytapeout.com），点击链接，根据模板创建新的资源库。这将为您设计所需的基本结构和工具。

2.开发您的设计

您有两种主要选择来创建您的设计：

• Verilog HDL：如果您熟悉硬件描述语言，可以直接用Verilog编写设计。模板库中包含示例和文档，可帮助您快速入门。
• Wokwi可视化编辑器：对于硬件设计新手，Wokwi提供了一个图形化原理图编辑器，您可以使用逻辑门和其他基本组件绘制电路。Tiny Tapeout网站包含Wokwi使用文。

您的设计将拥有一定数量的输入和输出引脚以及时钟信号。可用引脚的确切数量取决于具体的 Tiny Tapeout 运行，但通常在 8-24 个引脚之间。

3. 设计文档

良好的文档对于他人理解并可能基于您的工作很重要。模板库中包含一个自述文件，您应在其中描述您的设计功能、输入、输出以及任何其他相关细节。

4.自动测试

Tiny Tapeout的主要功能之一是其自动测试系统。当您将更改推送到GitHub库时，将触发一系列检查：

• GDS生成：此步骤使用OpenLane工具将您的设计转换为用于芯片制造的GDSII格式。还会生成设计的有用可视化。
  

• 验证：此步骤运行您包含的任何测试平台，以验证您的设计功能。
• 文档：检查您是否包含所需的文档。
• 预检查：运行设计规则检查，确保您的设计能够正确集成到多项目芯片中。

5. 提交给shuttle

一旦您的设计通过了所有自动检查，您就可以通过网站将其提交给下一个可用的Tiny Tapeout shuttle。穿梭通常每季度运行一次，当您的设计被接受时，您会收到通知。

硬件架构

随着时间的推移，Tiny Tapeout项目不断改进其硬件架构，以提高性能和功能。让我们来看看这一过程是如何发展的：

Tiny Tapeout 1-3：扫描链

最初的Tiny Tapeout运行使用扫描链架构。该架构将所有设计连接成一个长链，数据依次在每个设计中传输。虽然这种方法相对容易实现，但在速度和延迟方面存在局限性。

Tiny Tapeout 4+：多路复用器

从Tiny Tapeout 4开始，架构更新为使用基于多路复用器的方法。这允许在设计和更高的I/O带宽之间进行更快的切换。

多路复用器架构具有以下优点：

• I/O速度提升（最高可达50 MHz）
• 每个设计可用的引脚更多（最多可达24个I/O引脚）
• 支持更大规模的设计（最多可达8x2块）

未来发展

Tiny Tapeout仍在不断改进。未来运行计划包括：

• 支持模拟和混合信号
• 增加I/O引脚
• 增加设计区域

测试您的设计

制造完成后，您将收到一块包含您设计的芯片（以及该穿梭器中的所有其他芯片），该芯片安装在小型载板上。该载板插入更大的演示板上，后者提供电源、时钟并方便访问I/O引脚。

演示板包括：

• USB-C电源连接
• 用于内核和I/O电源的稳压器
• 20 MHz振荡器
• 用于复位和单步时钟的按钮
• 用于输入的DIP开关
• 用于输出的七段LED显示屏
• 用于所有I/O的接头，包括PMOD扩展端口

最新版本的演示板还包括一个Raspberry Pi RP2040微控制器。这允许对设计进行更高级的控制和测试，包括编写简单的Python脚本与您的芯片进行交互的能力。

示例项目

Tiny Tapeout社区已经制作了各种有趣的项目。以下几个示例可以激发您的设计灵感：

1. 串行FPGA：一个可动态重新配置的5输入查找表（LUT），展示了类似FPGA的功能。
2. 可综合的数字温度传感器：这种巧妙的设计以非常规的方式使用标准单元来创建温度敏感电路。
3. 标准单元展示：包含 PDK 中可用的大部分标准单元的设计，便于测试和特性分析。
4. FM 发射器：接收音频输入并对其进行调制，以创建 FM 无线电信号。
5. USB 全速设备：USB 1.1 全速协议的硬件实现。
6. RISC-V CPU：RV32IMA RISC-V处理器，能够启动Linux。

这些例子展示了Tiny Tapeout带来的广泛可能性，从简单的逻辑电路到复杂的数字系统。

结论

Tiny Tapeout在定制芯片设计平民化方面迈出了重要一步。通过降低技术和资金门槛，为更广泛的受众打开了ASIC设计的大门。无论您是想学习硬件设计的学生、有独特想法的业余爱好者，还是想把前沿技术引入课堂的教育工作者，Tiny Tapeout都能为您提供一条制作真实物理芯片的便捷途径。

该项目仍在不断发展，未来计划提供模拟支持、增加设计规模以及更多I/O选项。随着社区的发展，可供学习的集体知识和可用设计范围也在不断扩大。

要开始自己的Tiny Tapeout设计，请访问[Tiny Tapeout网站]（https：//http://tinytapeout.com），获取最新信息、并加入即将到来的班车。祝您设计愉快!

参考资料

1. M. Venn, "Tiny Tapeout: A shared silicon tape out platform accessible to everyone," in IEEE Solid-State Circuits Magazine, vol. 16, no. 2, pp. 20-29, Spring 2024, doi: 10.1109/MSSC.2024.3381097.

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