Open-Source-Hardware Studenten entwickeln RISC-V-Chip komplett mit Open-Source-Werkzeugen

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Zwölf Studenten der Denmark Technical University (DTU) in Lyngby haben einen RISC-V-basierten Dual-Core-Chip entwickelt, der komplett mit Hilfe von Open-Source-Tools entwickelt wurde – vom Design bis hin zum Fertigungsprozess.

Ein einem speziellen, 13-wöchigen Kurs haben 12 Studenten der Denmark Technical University (DTU) einen eigene Dual-Core-Chip auf Basis der RISC-V-Prozessor-IP entwickelt. Der Clou: Der Chip wurde nicht nur mir Open-Source-Kernen ausgestattet und mit Hilfe von Open-Source-Designtools entwickelt, sondern sogar im Open-Source-Verfahren gefertigt: Das Team verwendete die von Google und der US-Foundry Skywater hrausgegebene, quelloffene Skywater PDK, um einen RTL-Entwurf des Chips in geeignete funktionale Muster für produzierbare Halbleiter umzusetzen. Im Sommer soll der Baustein mit Hilfe der so produzierten Vorlage von der Skywater-Foundry gefertigt werden.

Es ist das erste Mal, dass ein Chip komplett und ausschließlich unter Zuhilfenahme von Open-Source-Tools und -Methodiken nicht nur entwickelt, sondern auch produziert wird. Der Chip entstand im Zuge eines 13-wöchigen speziellen Kurses für Chipdesign an der DTU, der ebenfalls in diesem Semester erstmals durchgeführt wurde.

Der von den Studenten entworfene Chip verfügt über zwei Prozessorkerne: einer 32-Bit-RISC-V-CPU und eine von der Universität stammende, hauseigene Multiprozessor-Plattform namens Patmos , die speziell für zeitkritische, deterministische Aufgaben optimiert ist. Während der Patmos-Kern sich um timing-relevante Prozesse wie etwa die Steuerung der Rotoren einer Flugdrohne kümmern soll, übernimmt der RISC-V-Kern alle weiteren, weniger zeitkritischen Rechenaufgaben.

„Die Zeit für Open-Source-Hardware ist gekommen“

Die Open-Source-Tools sind Teil des Skywater 130nm Process Design Kit (PDK) mit einem kompletten Apache 2.0-lizenzierten Open-Source-RTL2GDS-Design-Stack namens openLANE, der von Efabless entwickelt wurde. Ein standardisiertes Test-Harness ist ebenso offen und frei verfügbar und ermöglicht eine einfache und kostengünstige Replikation der Verifikationsergebnisse.

„Jahrelang haben wir über Open-Source-Software gesprochen. Jetzt kommt die Open-Source-Hardware,“ sagt Professor Martin Schoeberl, der den Kurs an der DTU zusammen mit Assistenzprofessor Luca Pezzarossa leitet. „Es ist bahnbrechend, dass wir freie Tools für die Entwicklung des Chips verwenden können. Denn normalerweise ist es so teuer, Lizenzen für die verschiedenen Werkzeuge zu kaufen, die man für die Herstellung eines Mikrochips benötigt, dass nur Unternehmen die Möglichkeit hatten, dies zu tun“,

„Es ist beeindruckend und inspirierend zu sehen, wie eine relativ kleine Gruppe von Bachelor-Studenten gemeinsam an den schwierigen Herausforderungen des Chip-Design-Prozesses arbeiten und in so kurzer Zeit konkrete Ergebnisse erzielen kann,“ ergänzt Pezzerosa. Neben dem Prozess des Chipdesigns würden den Studenten hierbei auch der Wert konstruktiver Teamarbeit, vermittelt - nach Ansicht des Assistenzprofessors eine grundlegende Fähigkeit für zukünftige Ingenieure.

Anregungen für Europa?

in ganz Europa machen sich momentan verstärkte Bemühungen nach mehr Investitionen in Chipdesign und -Produktion bemerkbar. Der mit 43. Mrd. Euro ausgestattete EU Chips Act soll den Standort EU für Chipfertigung attraktiver machen und den gesamteuropäischen Raum unabhängiger machen, was Produktion und Versorgung mit Halbleitern betrifft. Aber auch auf lokaler Ebene versuchen die einzelnen EU-Mitgliedsstaaten, verstärkt mehr Wissen um Halbleiterfertigung ins Land zu bringen und die eigenen Kapazitäten auszubauen: So hat beispielsweise die spanische Regierung angekündigt, 11 Milliarden Euro aus Corona-Pandemie-Hilfsmitteln in die Stärkung der einheimischen Chipindustrie stecken zu wollen. Auch Deutschlands Wirtschaftsminister Habeck hat kürzlich 14 Mrd. Euro speziell zur Förderung der deutschen Halbleiterfertigung in Aussicht gestellt - und dies, nachdem Intel bereits seine Zusage für den Standort seiner neuen, mit 17 Mrd. Euro veranschlagten Mega-Fab in Magdeburg gegeben hatte.

Der Bedarf an Fachpersonal für die Chipindustrie ist europaweit hoch - und wird es noch auf Jahre hinaus sein. Auch in Dänemark herrscht eine große Nachfrage nach Ingenieuren für Chipdesign, aber Mangel an geeignetem Fachpersonal. Der Spezialkurs der DTU entstand aus diesem speziellen Bedarf heraus auf Anregung von Jørgen Kragh Jakobsen, ein analoger Schaltungsdesigner und Inhaber der Ein-Mann-Firma IC Works, der auch unentgeltlich die Dozenten und Studenten bei Gestaltung und Umsetzung des Kurses unterstützt hat.

„Wir brauchen Innovation in diesem Bereich. Und der besondere Kurs hier ist die erste Generation einiger Chipdesigner, die mit Open-Source-Tools arbeiten. Das haben wir bisher noch nicht gesehen. Und das wird in den nächsten Jahren explodieren“, sagt Jørgen Kragh Jakobsen. „Es ist sehr wichtig, dass die Studenten praktische Erfahrungen sammeln, damit sie den Prozess der Entwicklung eines Chips kennenlernen, der verschiedene Funktionen haben sollte, und später den hergestellten Chip bekommen, um herauszufinden, ob er funktioniert. So machen wir das in der Industrie. Deshalb ist es schön zu sehen, dass die Bachelor-Studenten praktische Erfahrungen damit sammeln“.

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