¿Cómo se diseña un chip y qué métodos hay para ello?

A la hora de diseñar nuevos chips, los diferentes fabricantes y diseñadores de chips utilizan diferentes metodologías de diseño de chips según cual sea la necesidad de cada momento y por tanto lo que busquen en el diseño final. Dichas metodologías además es lo que hace que unas pocas empresas en el sector están adelantadas el resto.

Cuando hablamos de diseño de nuevos circuitos integrados en un chip, sean estos del tipo que sean, ya estemos hablando de una CPU, una GPU, un chipset, una memoria, etc. Se llegan a utilizar tres estilos o metodologías diferentes en cuanto al diseño. Los cuales son llamados Full Custom, Semi Custom y EDA. Veamos cómo son cada una de ellas y en qué se diferencian entre ellas.

¿Qué es la Standard Cell Library?

Ejemplos Standard Cell Library

Antes de nada hemos de entender lo que es una Standard Cell Library. De la misma manera que los lenguajes de programación suelen tener librerías con las estructuras de datos y algoritmos más utilizados a la hora de desarrollar programas. las fundiciones o fábricas de procesadores tienen sus propias librerías estándar donde en cada una de ellas están bien definidas las puertas lógicas que se utilizarán para crear un futuro diseño digital.

Cada nodo de fabricación tiene una librería estándar de puertas lógicas según el nodo y la utilidad que se vaya a utilizar. Por ejemplo TSMC tiene un nodo de 7 nm para alto rendimiento y otro para bajo consumo. Cada uno de ellos tiene una Standard Cell Library, la cual será esencial para la creación de nuevos procesadores. Dado que incluye todo lo necesario como puertas lógicas, biestables, latches, etc.

Por lo que son las propias fundiciones como Intel, TSMC, Samsung, GLOBALFOUNDRIES, SMIC y muchas otras en el mundo las que acaban desarrollando cada una de ellas su Standard Cell Library, la cual será adoptada para la creación de nuevos chips. De cada una de las puertas lógicas cada Standard Cell Library puede tener diversas variantes. Unas destacarán por su rendimiento, otras por tener un área menor, tendremos versiones de una puerta lógica con menor consumo energético y también con conocimientos.

Metodologías de diseño de chips Full Custom

Metodologías Diseño

La metodología Full Custom es el más complejo de todos, ya que solo es adoptada por unas pocas compañías en el mundo cuyo capital para investigación y desarrollo es inmenso. Esta metodología además requiere muchos años de desarrollo para terminar un diseño. Se basa en la combinación del uso de la Standard Cell Library del nodo escogido y de diseño personalizado.

¿En qué consiste? Supongamos que tenemos una combinación de puertas lógicas que no viene integrada en la Standard Cell Library y cuya implementación es esencial para vuestro diseño. Pues bien, las empresas con capacidad Full Custom tienen la capacidad de expandir la Standard Cell Library del nodo que están utilizando y crear nuevos añadidos para uso en sus propios diseños.

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Normalmente las empresas de diseño de procesadores cuando tienen planeado un procesador a muy largo plazo, el nodo que utilizarán no está preparado y su Standard Cell Library no está disponible. Por lo que estas empresas diseñan sus propias puertas lógicas para un nodo más avanzado. Esto es algo que incluso hacen las Fabless como AMD y NVIDIA para probar nuevas arquitecturas. La metodología es que las fundiciones les envían por adelantado sus librerías de diseño con antelación antes de desplegar la producción del nuevo nodo.

A partir de ellas las empresas con capacidad Full Custom crean diseños preliminares sencillos y con ello sugieren mejoras sobre el futuro nodo de fabricación. Este es el motivo por el cual ciertas fundiciones y fabricantes buscan tener socios con más capacidad de investigación y desarrollo. ¿La contrapartida de este método? Su alto coste, no solo por el diseño de nuevas combinaciones de puertas lógicas, sino por el hecho que están pensadas para el desarrollo de procesadores entre tres y cinco años vista.

Metodologías de diseño de chips Semi Custom

Metodologías Diseño

Los diseños semi custom son aquellos que utilizan solo la Standard Cell Library de un nodo ya disponible para la manufactura. Por lo que se trata de una metodología de diseño pensada para lanzar procesadores a muy corto plazo y que no requiere un alto capital de investigación y desarrollo. A día de hoy más del 80% de las empresas de diseño de chips son semi custom. Todos los diseños empiezan siendo diseños Semi Custom, es cuando los ingenieros con más altos conocimientos ven la capacidad de hacer un mejor procesador utilizando tecnología propia pasan de Semi Custom a Full Custom. Pero como hemos comentado antes, esto es algo que muy pocas empresas se pueden permitir.

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Un caso curioso de diseño Semi Custom es AMD, la cual tiene su propia Standard Cell Library utilizando a TSMC como fabricante principal. Una empresa que pacte el diseño de un chip con AMD no solamente podrá utilizar las tecnologías ya desarrolladas de la propia AMD, sino que podrá hacer uso de su propia Standard Cell Library para crear coprocesadores como aceleradores y procesadores de dominio específico para sus diseños. Algo que han hecho SONY y Microsoft para la creación de los procesadores principales de sus consolas de nueva generación.

No obstante, pese a su menor precio en comparación con el diseño Full Custom este requiere que se contrate la fabricación de los chips en las grandes fundiciones, las cuales no van a aceptar pedidos muy pequeños. Por lo que el diseño de chips implica capital suficiente para pagar por la fabricación de los mismos.

Despliegue en FPGAs y CPLDs

El uso de FPGA se ha vuelto popular en los últimos años al igual que los CPLD, ambos son lógica programable cuyo funcionamiento y diferencias entre cada uno no os vamos a explicar aquí. Su uso en las metodologías de diseño de nuevos procesadores se da en dos casos. El primero para prototipado, el segundo se da porque existen ocasiones en que una empresa no tiene la capacidad económica para contratar un gran volumen de chips, lo cual no es del interés de las fundiciones.

Se ha de tener en cuenta que el despliegue en cada nodo de fabricación es cada vez más caro de implementar por lo las grandes fundiciones buscan los clientes económicamente más potentes. Podéis diseñar la mejor GPU del mundo que si no tenéis el capital de NVIDIA o AMD para contratar un gran volumen de chips entonces vuestro diseño no verá la luz.

Coste Diseño Chips

Debido a esta situación muchas empresas de diseño de chips no los fabrican, sino que venden sus diseños para ser implementados en un FPGA o un CPLD que implementan directamente en sus productos. El FPGA se acaba convirtiendo en el chip que se debería haber fabricado en masa. A cambio no hace falta pagar por la fabricación en masa y la implementación se hace en muy poco tiempo.

El problema con los FPGA en concreto es que el coste por chip es obviamente más alto y se trata de soluciones que serán muy caras, pero que están pensadas para clientes muy concretos. Los cuales tienen el dinero para pagar por dicha solución, pero no el tiempo para esperar una solución.

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