跳轉到

7.1 ASAP7：一個為研究而生的7nm預測型PDK#

談晶片設計流程，最終都會碰到一個根本問題：你拿什麼製程的資料來設計？這個問題的答案叫 PDK（Process Design Kit）——一個包含了電晶體與標準單元的 SPICE 模型、單元的 liberty 時序檔、 LEF/DEF 版圖抽象層、DRC/LVS 規則檔的完整套件。沒有 PDK，任何設計流程都是空中樓閣。而對學術界與開源社群來說，PDK 長期是最難取得的一塊：真正的先進製程 PDK 是晶圓廠與 EDA 大廠之間受保密協議（NDA）保護的資產，教授簽了 NDA 都不能把資料用在公開的論文或教學裡。ASAP7 的出現，就是為了填補這個缺口。

什麼是「預測型」PDK#

預測型 PDK（predictive PDK）的核心想法是：既然拿不到真實 PDK，那就根據物理規律與已公開的製程資訊，「預測」一個尚未量產（或已量產但保密）的製程會長什麼樣。它不是用來流片的，而是用來做研究與教學的——所有的尺寸、時序、功耗數字都是合理的估計，能反映該製程節點的量級與關鍵瓶頸，但不保證矽上驗證。

ASAP7 是 2016 年由 Arizona State University（ASU）、University of Wisconsin-Madison、與 Intel 等單位的研究者合作發布的學術性 7nm 預測型 PDK。它由 Yasser Sherazi、Bhoopapuram、及主導人 Tapan Gupta、Sumeet Kumar Gupta（ASU）等團隊共同建立，目標是給學術界一個「7nm 節點的真實感」：FinFET 電晶體、7.5 軌高度（track height）的標準單元、多層金屬繞線、真實的 DRC 規則（包括 6.2 章提過的 spacing、end-of-line、min-area 等），以及對應的 liberty 檔讓靜態時序分析可以跑。

ASAP7 的幾個技術特徵值得記下：

  • 標準單元採用 7.5-track 高度設計，這在當時是先進製程的先驅選擇，反映了 7nm 節點對 cell 高度持續壓縮的趨勢。
  • 電晶體為 FinFET 結構，SPICE 模型是預測的 BSIM 類模型，參數是根據公開文獻與 ITRS 路線圖推導。
  • 金屬層的方向、pitch、DRC 規則參考了工業界 7nm 量產製程的公開資訊，力求「畫出來的佈局像真的 7nm」。
  • 提供了多個 corner 的 liberty 檔，供多 corner 時序分析使用。

學術研究因為它而改變#

在 ASAP7 之前，學術界做實體設計研究（placement、routing、clock tree）常用兩種資料：一是 ISPD / ICCAD 競賽用的舊製程 benchmark（多為 45nm、32nm），二是自行粗糙估計的先進節點模型。前者與當代製程脫節，後者缺乏一致性，導致論文之間難以比較。ASAP7 提供了一個公開、一致、可重現的 7nm 環境，立刻成為學術論文的標準 benchmark 之一。近年 EDA 頂會（DAC、ICCAD、ISPD）上關於 placement、routing、clock tree synthesis 的論文，很大一部分以 ASAP7 為評估平台，OpenROAD 的 drt 詳細繞線器在開發時就明確以 ASAP7 的 DRC 規則為支援目標。

從教育面看，ASAP7 讓「7nm 的實體設計」從「業界工程師的專利」變成「研究所課程可以教的題目」。過去一個學生想練 7nm 的 placement，只能進 Intel 或 TSMC 實習；現在他可以在筆電上用 OpenROAD 跑 ASAP7 的 flow。這是開源 EDA 教育生態能夠在 2016 年之後快速成長的物質基礎之一。

預測型 PDK 的局限#

預測型 PDK 有其先天限制，使用者必須心裡有數。第一，它不能用來流片——沒有晶圓廠會接受 ASAP7 的 GDS。第二，它的數字（時序、功耗、面積）是「合理」而非「精準」，所以研究論文裡基於 ASAP7 的絕對數字不能直接外推到實際量產製程；但相對比較（演算法 A 比 B 好 5%）是有意義的。第三，DRC 規則是預測的簡化版本，可能沒有涵蓋真實製程所有的 edge case。這些限制不是缺點，而是預測型 PDK 的本質——它的價值在「給研究一個共同的 7nm 舞台」，不在「矽上成真」。

從制度面看，ASAP7 的意義在於證明了「PDK 不必是黑盒子也能推動研究」。這個論證直接影響了後續的開源 PDK 運動：如果預測型的 ASAP7 能支撐這麼多論文與課程，那麼一個真正可流片的開源 PDK 會有多大影響力？這個問題，由 SkyWater 130nm PDK 在 2020 年回答。

ASAP7 與開源流程的結合#

在 OpenROAD 的語境裡，ASAP7 是被最完整支援的學術 PDK 之一：flow 從 floorplan、placement、CTS、grt、drt、rcx 到 STA 都能在 ASAP7 上完整執行，drt 的先進製程 DRC 支援就是以 ASAP7 為主要開發與驗證標的。這個「開源工具 × 開源 PDK」的組合，是過去不可能出現的事——在 2015 年以前，一個學生不可能同時擁有 7nm 的 PDK 和一條能跑的實體設計流程。

回顧這段歷史，ASAP7 出現的時間點很巧妙：2016 年正是 DARPA IDEA 計畫啟動前一年、RISC-V 開源指令集開始爆發的時期。開源硬體的生態需要開源設計工具，開源設計工具需要可用的 PDK——ASAP7 填上了先進節點那一塊，SKY130 填上了可流片那一塊，兩者合起來才構成完整的開源晶片設計版圖。下一章就來看 SKY130 這個「真正可以流片的開源 PDK」的故事。