Log
Notas y pruebas en sucio sobre las herramientas para diseño de chips (asic)
Quiero aprender a utilizar la herramienta magic, para el diseño de ASICs. Este es el repositorio de magic: https://github.com/RTimothyEdwards/magic
Se instala fácilmente utilizando la appimage de la última release. La que descargo es esta: Magic-8.3.681.20260807.4432d7ec-x86_64-EL10.AppImage
La copio al directorio Bin y la ejecuto
Aparece esto:
Son dos ventanas independientes, que las he puesto una encima de otra en el pantallazo
Escribo estos comandos:
box 0 0 20 10
paint ndiff
El primer comando se lo traga, pero con el segundo optengo este mensaje de error: Unrecognized layer: ndiff ...
Parece que el problema está que hay que arrancar magico de esta forma, indicando que se quiere usar la tecnología sky130A:
./Magic-8.3.681.20260807.4432d7ec-x86_64-EL10.AppImage -T sky130A test.mag
El mensaje de error que se obtiene ahora es:
Could not find file 'sky130A.tech' in any of these directories: [...]
OK.. tengo que instalar algo más... Parece que hay que instalar el open-pdk: https://github.com/fossi-foundation/open-pdks
Para instalarlo hay que compilar cosas... Estoy leyendo la información de su web: https://opencircuitdesign.com/open_pdks/ Mencionan que hay un gestor de paquetes, ciel para hacer más fácil su instalación. Este es su repositorio: https://github.com/fossi-foundation/ciel
Para instalar las herramientas necesarias voy a crear el entorno virtual de python asic:
obijuan@JANEL:~$ python -m venv $HOME/venv/asicEntramos en el entorno virtual:
obijuan@JANEL:~$ . $HOME/venv/asic/bin/activate
(asic) obijuan@JANEL:~$Instalamos ciel siguiendo las instrucciones:
(asic) obijuan@JANEL:~$ python3 -m pip install cielSe instala correctamente. Lo comprobamos:
(asic) obijuan@JANEL:~$ ciel --version
Ciel v2.6.1 ©2022-2025 Efabless Corporation and Contributors
Licensed under the Apache License, Version 2.0 (the "License");
you may not use this program except in compliance with the License.
You may obtain a copy of the License at
http://www.apache.org/licenses/LICENSE-2.0
Unless required by applicable law or agreed to in writing, software
distributed under the License is distributed on an "AS IS" BASIS,
WITHOUT WARRANTIES OR CONDITIONS OF ANY KIND, either express or implied.
See the License for the specific language governing permissions and
limitations under the License.
(asic) obijuan@JANEL:~$Vamos a comprobar todos los pdks precompilados listos para instalar:
(asic) obijuan@JANEL:~$ ciel ls-remote --pdk-family sky130
Pre-built sky130 PDK versions
├── 026824c7969ce6f4fc9678e6ca04b0a06a596c4b (2026.08.04)
├── f6eeac7dad085ffcc829ccfd721f7b4ce39edcf7 (2026.07.14)
├── d658698bd8bcf4e05fc7b5991a701247ba0d744c (2026.07.04)
[...]Comprobamos los que están instalados:
(asic) obijuan@JANEL:~$ ciel ls --pdk-family sky130
No PDKs installed.
(asic) obijuan@JANEL:~$Ninguno. Vamos a instalar el último (2026.08.04). Hay que utilizar su hash:
(asic) obijuan@JANEL:~$ ciel enable --pdk-family sky130 026824c7969ce6f4fc9678e6ca04b0a06a596c4b
Version 026824c7969ce6f4fc9678e6ca04b0a06a596c4b not found locally, attempting
to download…
Downloading common.tar.zst… ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 100% 0:00:00
Downloading sky130_fd_io.tar.zst… ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 100% 0:00:00
Downloading sky130_fd_pr.tar.zst… ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 100% 0:00:00
Downloading sky130_fd_sc_hd.tar.zst… ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 100% 0:00:00
Downloading sky130_fd_sc_hvl.tar.zst… ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 100% 0:00:00
Downloading sky130_ml_xx_hd.tar.zst… ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 100% 0:00:00
Downloading sky130_sram_macros.tar.zst… ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 100% 0:00:00
Version 026824c7969ce6f4fc9678e6ca04b0a06a596c4b enabled for the sky130 PDK.
(asic) obijuan@JANEL:~$Ahora ya sí que aparece que tengo uno instalado:
(asic) obijuan@JANEL:~$ ciel ls --pdk-family sky130
In /home/obijuan/.ciel/ciel/sky130/versions:
└── 026824c7969ce6f4fc9678e6ca04b0a06a596c4b (2026.08.04) (enabled)
(asic) obijuan@JANEL:~$Ahora ya sí que está el fichero sky130A.tech en el directorio ~/.ciel/sky130A/libs.tech/magic
obijuan@JANEL:~/.ciel/sky130A/libs.tech/magic$ ls
bump_bond_generator generate_fill.py sky130A-BindKeys sky130A.tcl
check_antenna.py run_standard_drc.py sky130A-GDS.tech sky130A.tech
check_density.py seal_ring_generator sky130A.magicrc
obijuan@JANEL:~/.ciel/sky130A/libs.tech/magic$Voy a reproducir lo anterior, desde 0, con las herramientas ya instaladas. Partimos del directorio de este log
obijuan@JANEL:~/Develop/Learn-open-silicon/wiki/Log$Entramos en el entorno virtual: . $HOME/venv/asic/bin/activate
obijuan@JANEL:~/Develop/Learn-open-silicon/wiki/Log$ . $HOME/venv/asic/bin/activate
(asic) obijuan@JANEL:~/Develop/Learn-open-silicon/wiki/Log$Comprobamos que ciel sigue accesible:
(asic) obijuan@JANEL:~/Develop/Learn-open-silicon/wiki/Log$ ciel --version
Ciel v2.6.1 ©2022-2025 Efabless Corporation and Contributors
Licensed under the Apache License, Version 2.0 (the "License");
you may not use this program except in compliance with the License.
You may obtain a copy of the License at
http://www.apache.org/licenses/LICENSE-2.0
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(asic) obijuan@JANEL:~/Develop/Learn-open-silicon/wiki/Log$Comprobamos que tenemos seleccionado e instalado sky130
(asic) obijuan@JANEL:~/Develop/Learn-open-silicon/wiki/Log$ ciel ls --pdk-family sky130
In /home/obijuan/.ciel/ciel/sky130/versions:
└── 026824c7969ce6f4fc9678e6ca04b0a06a596c4b (2026.08.04) (enabled)
(asic) obijuan@JANEL:~/Develop/Learn-open-silicon/wiki/Log$Lanzamos magic:
(asic) obijuan@JANEL:~/Develop/Learn-open-silicon/wiki/Log$ $HOME/Bin/Magic-8.3.681.20260807.4432d7ec-x86_64-EL10.AppImage -T sky130A test.mag
-- # Starting MagicEn la consola de magic sigue apareciendo este error:
loading history file ... 3 events added
Use openwrapper to create a new GUI-based layout window
Use closewrapper to remove a new GUI-based layout window
Magic 8.3 revision 681 - Compiled on Sat Aug 8 07:04:03 UTC 2026.
Starting magic under Tcl interpreter
Using Tk console window
Using TrueColor, VisualID 0x21 depth 24
Could not find file 'sky130A.tech' in any of these directories:
. $CAD_ROOT/magic/sys $CAD_ROOT/magic/sys/current
Failed to load technology "sky130A"
[...]
Main console display active (Tcl9.0.4 / Tk9.0.4)
% Ejecuto este comando, pasándole como argumento el fichero sky130A.magicrc
$HOME/Bin/Magic-8.3.681.20260807.4432d7ec-x86_64-EL10.AppImage -rc ~/.ciel/sky130A/libs.tech/magic/sky130A.magicrc
-- # Starting MagicSe lanza magic pero acaba muy rápidamente, y no me da tiempo a ver qué ha ocurrido
OK. Ya consigo lanzar magic con este comando. Hay que exportar la variable PDK_ROOT:
(asic) obijuan@JANEL:~/Develop/Learn-open-silicon/wiki/Log$ export PDK_ROOT=$HOME/.ciel
$HOME/Bin/Magic-8.3.681.20260807.4432d7ec-x86_64-EL10.AppImage -rc ~/.ciel/sky130A/libs.tech/magic/sky130A.magicrc test.mag
-- # Starting Magic
(asic) obijuan@JANEL:~/Develop/Learn-open-silicon/wiki/Log$Esto es lo que sale ahora:
Ahora ya podemos ver en la parte de la derecha todas las capas disponibles en sky130. Este es el log que sale en la consola de tcl, para tenerlo como referencia. No aparece ningún mensaje de error y termina con el prompt:
loading history file ... 3 events added
Use openwrapper to create a new GUI-based layout window
Use closewrapper to remove a new GUI-based layout window
Magic 8.3 revision 681 - Compiled on Sat Aug 8 07:04:03 UTC 2026.
Starting magic under Tcl interpreter
Using Tk console window
Using TrueColor, VisualID 0x21 depth 24
Processing system .magicrc file
Switching to WIRING tool.
Switching to NETLIST tool.
Switching to PICK tool.
Switching to BOX tool.
Sourcing design .magicrc for technology sky130A ...
2 Magic internal units = 1 Lambda
Input style sky130(): scaleFactor=2, multiplier=2
The following types are not handled by extraction and will be treated as non-electrical types:
ubm
Scaled tech values by 2 / 1 to match internal grid scaling
Loading sky130A Device Generator Menu ...
New windows will not have a title caption.
New windows will not have scroll bars.
New windows will not have a border.
Repainting console in magic layout window colors
Using technology "sky130A", version 1.0.588-56-g026824c
Root cell box:
width x height ( llx, lly ), ( urx, ury ) area (units^2)
microns: 0.010 x 0.010 ( 0.000, 0.000), ( 0.010, 0.010) 0.000
lambda: 1.00 x 1.00 ( 0.00, 0.00 ), ( 1.00, 1.00 ) 1.00
internal: 2 x 2 ( 0, 0 ), ( 2, 2 ) 4
Main console display active (Tcl9.0.4 / Tk9.0.4)
% Ahora es el momento de pintar una capa de difusión n. Ejecutamos estos comandos en la consola:
box 0 0 20 10
paint ndiff
En la consola de magic vemos esto:
% box 0 0 20 10
Root cell box:
width x height ( llx, lly ), ( urx, ury ) area (units^2)
microns: 0.200 x 0.100 ( 0.000, 0.000), ( 0.200, 0.100) 0.020
lambda: 20.00 x 10.00 ( 0.00, 0.00 ), ( 20.00, 10.00) 200.00
internal: 40 x 20 ( 0, 0 ), ( 40, 20 ) 800
% paint ndiff
Loading DRC CIF style
%
Ahora metemos la capa de polisilicio para hacer el mosfet n:
box 8 -5 12 15
paint poly
Con esto se supone que ya tenemos un mosfet n hecho (a falta de los contactos). Vemos que hay 6 errores de DRC...
Voy a empezar otra vez desde 0... a ver si consigo ir diseñando sin errores de DRC
(asic) obijuan@JANEL:~/Develop/Learn-open-silicon/wiki/Log$ $HOME/Bin/Magic-8.3.681.20260807.4432d7ec-x86_64-EL10.AppImage -rc ~/.ciel/sky130A/libs.tech/magic/sky130A.magicrc test1.mag
-- # Starting Magicok... tras trastear con magic ya parece que empiezo a entender un poco el funcionamiento. Voy a hacer un minitutorial, para ir aprendiendo
Arrancamos magic desde cero:
(asic) obijuan@JANEL:~/Develop/Learn-open-silicon/wiki/Log$ $HOME/Bin/Magic-8.3.681.20260807.4432d7ec-x86_64-EL10.AppImage -rc ~/.ciel/sky130A/libs.tech/magic/sky130A.magicrc
-- # Starting MagicSe nos abre esta pantalla gráfica, donde destacamos algunos elementos:
- DRC: Reglas de diseño. Inicialmente no hay diseño, y por eso no se están violando ninguna de las reglas de diseño
- Nombre del diseño actualmente cargado. Por defecto es UNLOADED
- Tecnología: Sky130A
- Bloque cursor: Zona del chip con la zona activa, donde afectarán los diferentes comandos que se usen
Una cosa muy importante es que los elementos de diseño dentro del chip siempre son zonas rectangulares. Por eso el cursor es un bloque, que puede tener las dimensiones que le demos, pero siempre es un rectángulo. No es posible crear otras geometrías diferentes a rectángulos
El bloque cursor lo vamos a nombre como la caja
Las unidades por defecto que vamos a utilizar son micrómetros (µm), que en magic se usa el prefijo um. Las dimensiones de la caja por defecto, la que aparece al inicio son de 0.010um x 0.010um
Para hacer zoom pulsamos en la tecla z. Vemos como la caja se ve más grande
Para alejar el zoom (zoom out) pulsamos shift-z
Podemos centrar la caja con la tecla ctrl-z
Todas estas opciones están disponibles también desde el menú windows
Antes de empezar a diseñar vamos configurar el grid. Pinchamos en windows y luego Set grid 0.05um. Con esto establecemos la resolución de la cuadrícula en 0.05µm (50nm)
Se activa automáticamente, y veremos la cuadrícula:
Si echamos el zoom hacia atrás vemos más cuadrículas
Hay un punto negro en la esquina inferior izquierda de la caja. Indica donde se encuentra el origen de coordenadas (0, 0)
Ahora pinchamos en la opción windows/Snap-to-grid-on para que la caja esté siempre sobre el grid
Si pinchamos en la opción Windows/Measure box o apretamos la tecla b, nos aparecerán las dimensiones de la caja actual en la ventana de texto:
Comprobamos que son de 0.05umx0.05um (una celda del grid)
Otra forma de obtener el tamaño de la caja es escribiendo el comando box
Este diseño lo vamos a guardar en el fichero mosfet-n.mag. Para ello pinchamos en cell/save as
Se nos abre una ventana de diálogo donde escribimos el nombre del diseño. Como vamos a construir un mosfet N lo llamaremos mosfet-n. Una vez escrito pinchamos en ok
Vemos en la parte superior cómo ha cambiado el nombre a mosfet-n.
También se nos ha generado el fichero mosfet-n.mag en el directorio de trabajo
obijuan@JANEL:~/Develop/Learn-open-silicon/wiki/Log$ ls
images mosfet-n.mag
obijuan@JANEL:~/Develop/Learn-open-silicon/wiki/Log$El diseño es un fichero de texto, que podemos ver y editar:
magic
tech sky130A
timestamp 0
<< end >>
Vamos a crear nuestro primero MOSFET-N. Se hace dibujando 2 rectángulos: uno para marcar las zonas N, y otro para el polisilicio de la puerta. A partir de estos dos rectángulos, magic calcula los parámetros necesarios para la fabricación del mosfet
La zona N mínima que podemos dibujar está determinada por el tamaño del grid, que lo hemos fichado en 0.050um x 0.050um (50nm x 50nm). Este es el tamaño que tiene la caja actual. Pulsamos ctrl-z para verlo centrado y a su mayor tamaño
Nos fijamos que se cumples las reglas DRC (básicamente porque NO hay diseñado nada todavía)
Para dibujar una zona N en la caja actual, ejecutamos este comando: paint ndiffusion. Esto es lo que nos aparece en la consola de magic:
En la ventana del diseño vemos que la caja se pone de color verde, y en los cuadrados del grid superior y derecho aparece un patrón de puntitulos
También observamos que el DRC FALLA: Hay 2 errores. Esto es debido a que NO se puede construir una zona N tan pequeña, sino que hay unas dimensiones mínima. Pero vamos a investigar sobre esto
Para ver el diseño completo, pinchamos en windows/full view o bien apretamos la tecla v
Ahora se ven todas las cuadrículas nuevas. Por la parte superior hay 2 que indican que hay errores, y por la parte derecha hay otras 2 también de errores. Los patrones de relleno de estas capas se pueden ver en la parte derecha. Ahí vemos las capas ndifussion y errors
Para ver los errores pinchamos en Options/DRC Manager
Se nos abre una ventana nueva, donde nos indica la regla que se está violando: Diffusion width < 0.15um (diff/tap.1)
Lo que significa es que la zona de difusión N tiene unas dimensiones menores que las mínimas permitidas. Las mínimas son de 0.15um. Esto es lo que nos indican las cuadrículas de la capa de error: Al menos, tanto la anchura como la altura de la zona n tiene que ocupar 3 cuadrículas
Vamos a solucionar primero el problema de la anchura. La anchura actual es de 0.050um, pero debe ser al menos de 0.150um. Situamos el puntero del ratón cerca de la zona donde queremos que se sitúe la esquina superior derecha de la nueva caja y pulsamos el botón derecho del ratón
Se dibuja una nueva caja que mantiene la izquina inferior izquierda en el mismo sitio que antes, pero sitúa la esquina superior derecha en el nuevo punto (alineado con la cuadrícula)
Ahora pintamos la nueva zona, ejecutando el comando paint ndiffusion, igual que antes
Ahora sólo queda 1 error de DRC. Se muestra en la capa errors las cuadrículas que deberían ser zonas de difusión n, es decir, hay que ampliar la altura para que sea de al menos 0.150um
Repetimos el proceso. Con el botón derecho seleccionamos el punto de la cuadrícula donde queremos que se sitúe la esquina superior derecha de la caja
Y la convertimos en zona de difusión n. Ahora ya sín se cumplen las reglas DRC, y no hay errores
Hemos dibujado la zona N mínima
Cuando creamos un mosfet N, la zona N tiene que ser más grande, para cumplir con todas las reglas de diseño. Su tamaño tiene que ser al menos de 0.650um x 0.450um. Así que la vamos a crear desde 0
Partimos del estado anterior, donde la caja rodea toda la zona N. Ejecutamos el comando erase y la zona desaparece, pero la caja sigue estando
Ahora vamos a poner una zona N de 0.65 x 0.45 (um) en el origien. Utilizamos el comando box 0 0 0.65 0.45 seguido de paint ndiffusion
Ahora hay que poner la zona de polisilicio que atraviesa la zona N, para generar las 2 zonas N, una a la izquierda y otra a la derecha, y la conexión con la puerta. Para no violar las reglas DRC, el polisilicio debe sobresalir 0.15um por arriba y por abajo
Primero marcamos la casilla donde va a estar la esquina inferior izquierda del polisilicio. Esto lo hacemos apretando el botón izquierdo del ratón
Se sitúa la caja actual con su esquina inferior izquierda en la cuadrícula indicada, ajustada al grid. Ahora posicionamos el ratón en la esquina superior derecha de la zona donde queremos que esté el polisicio
Apretamos el botón derecho y aparece la nueva caja
Escribimos paint polysilicon para convertirla en la zona de polisilicio
En la pantalla gráfica vemos el polisilicio. Observamos que NO HAY ERRORES DE DRC. ¡Nuestro primer MOSFET!
En el MOSFET N hay 3 capas:
- ndifussion: Las 2 zonas N, que aparecen delimitadas por el polisilicio. Se dibuja una única zona N y magic calcula las dos a partir de la intersección con el polisilicio
- polysilicon: La capa de polisilicio que hemos dibujado. Magic calcula su intersección con la zona N y divide esta capa en dos zonas. Una de polisilio puro, que sobresale por la zona N y la zona de intersección que conforma la siguiente capa (ntransistor)
- ntransistor: Es la capa de intersección entre la zona N y el polisilicio. En la fabricación del chip esta zona se dopa para que haya muchos electrones libres y la puerta del transistor conduzca
Todas las capas definidas en la tecnología Sky130A se encuentran en el panel de la derecha, como ya hemos visto. Es posible ocultar las capas visibles, así como volver a mostrarlas. Para ocultar hay que pinchar en la capa correspondiente usando el botón derecho del ratón
En esta imagen vemos cómo se ha ocultado la capa ntransistor. Podemos ver que efectivamente ahora la zona N se ha dividido en 2 zonas N
Para volver a visualizar cualquier capa basta con pinchar en la capa y usar el botón izquierdo
Vamos a aprender a realizar conexiones a la fuente y el drenador, que son iguales. Ambos parten de la capa ndiffusion
El punto de partida es una zona N cruzada por el polisilicio, como en el apartado anterior, pero con la geometría ligeramente cambiada: más espacio en las zonas N para que quepan los contactos nuevos que vamos a añadir
El objetivo es conectar la zona N de la fuente con un contacto metálico, que es el que sale fuera del chip. Las conexiones están en capas independientes a mayor altura que el substrato. Estas capas de conexión están separadas, y son independientes. Por eso hay que añadir contactos entre ellas, que reciben el nombre de vías
La cantidad de capas de interconexión y de vías a diferentes niveles depende de la tecnología usada. Para el caso de sky130, que es el que estamos utilizando, la información se encuentra en una figura en este enlace de Tinytapeout: Skywater’s 130 nm. Reproduzco aquí la figura para tenerla más a mano:
En esta figura se definen todos los parámetros de esta tecnología, así como las diferentes capas. Como hemos visto en magic, la cosa es más compleja, y existen muchas más capas, pero en este tutorial iremos resumiento la información necesaria, para simplificarlo todo
Este es el modelo 3D con las capas que tenemos de partida
Las capas de conexionado están a diferentes niveles. Para pasar de una a otra hay que utilizar las vías. La primera capa que hay se denomina li en la documentación (local interconection). Su uso es para realizar conexiones locales dentro del diseño actual. Se definen conexiones locales como aquellas que NO salen al exterior. Típicamente son conexiones cortas. A nivel de fabricación se usa un material especial (Nitruro de titanio) que soporta altas temperaturas
La capa li recibe el nombre de locali en magic. Para acceder a ella hay que colocar una vía. Las vías de conexión a li dependen del material que hay en la capa 0. En nuestro caso el material es tipo N y la vía tiene que ser capaz de conectarse bien a ese material. Por ello a nivel genérico estas vías, las que van del sustrato al bus li reciben el nombre genérico de licon (Conexiones a li). Pero en la práctica hay que usar tipos diferentes según el material del sustrato
Como la fuente es tipo n, tenemos que usar en magic la capa ndcontact, que define un contacto entre el sustrato y li. Magic además genera las capas intermedias necesarias para realizar este contacto, pero no necesitamos entrar en tantos detalles
Así que vamos a colocar el contacto ndcontact. Colocamos la caja como se indica en esta figura. El tamaño mínimo del contacto es de 4x4 cuadros del grid
Pinchamos con el botón central del ratón en la capa ndcontact. Nos aparece el contacto. En magic todos los contactos tiene una cruz.
Además observamos que aparecen errores de DRC. Son debidos a que todavía NO hemos metido la capa locali. Nos indican que esta capa no tiene el área mínima requerida (claro, al no estar, tiene área 0), y que tampoco hay un solape entre el contacto y esta área
Colocamos la caja como se indica en la figura para crear la capa locali. Tiene que tener un tamaño lo suficientemente grande como para contener el ndcontact y también la vía que pondremos después para conectar con la capa metal1
Nos aparece la capa locali. Ahora ya NO hay errores de DRC
Ya tenemos conectada la capa locali con la capa ndifussion de nuestra fuente, a través de la vía ndcontact. Vamos a verificar que magic detecta que ambas capas están conectadas. Situamos el cursor dentro de la capa locali
Pulsamos la tecla s. Se nos selecciona la parte de locali que llega hasta el comienzo de ndcontact
Si volvemos a pulsar s, se seleccion la capa completa locali y la vía ndcontact. Es así porque ambas están conectadas
Si apretamos s una vez más, se selecciona también la zona N de la fuente
Se han selecciona todas las zonas que están conectas. Si no hubiésemos conectado la vía ndcontact sería capas independiente. Es una forma sencilla de comprobar que nuestro diseño está bien hecho
El siguiente paso es conectar la fuente del transistor a la capa metálica, porque la queremos llevar a las patas del chip para realizar pruebas. La siguiente capa de condución es metal1 y para llegar a ella hay que colocar una vía en la capa locali que se llama viali (en la documentación de skywater la denomina mcon). NO ES POSIBLE conectar la fuente directamente a metal1, sino que hay que pasar obligatoriamente por locali
En este dibujo 3D se muestran las dos nuevas capas que necesitamos, viali y metal1
Vamos a crear ambas capas en magic. Antes hemos empezado colocando primero la vía, y hemos visto cómo aparecián errores de DRC porque una vía debe conectar dos capas. Ahora, para probar, vamos a colocar primero la capa metal1. Lo primero es dibujar la caja. Tiene que superposerse con locali (para que la vía que coloquemos luego entre en contacto con ambas capas) y extenderse hacia la izquierda
Ahora pinchamos con el botón central sobre la capa metal1, para crearla
Comprobamos que NO HAY ERRORES DRC. Si ponemos el cursor en la parte saliente de metal1 (donde NO hay interseccion con locali) y apretamos la tecla s, veremos que NO SE SELECCIONA ningún rectangulo adicional. Esto significa que metal1 está AISLADA. Es una capa SIN CONECTAR
Para conectar ambas capas usamos viali. Hacemos como siempre. Primero situamos la caja. Le damos unas dimensiones igual que la otra vía, de 4x4 con este grid
Con el botón central pinchamos en viali para colocar la vía
Ahora todas las capas están unidas, desde metal1 (superior) hasta ndiffusion (inferior), pasando por la intermedia locali
Para comprobarlo situamos el cursor en la parte saliente de metal1
Al apretar s la primera vez se selecciona la parte metálica hasta llegar a viali. Si se aprieta una segunda vez, se selecciona toda la capa metal1 y viali, y si pulsamos una tercera vez se seleccionan todas las capas: metal1, locali, viali, ndcontact y ndiffusion. Son todas las capas relacionadas con la fuente del MOSFET N
El último paso para finalizar la conexión es nombrar el contacto metálico. Lo vamos a denotar como SOURCE. Para ello situamos el cursor en el punto de la capa metálica donde queremos colocar el nombre y pulsamos el botón izquierdo y derecho del ratón para obtener un punto (es un rectángulo degenerado en un punto)
En la consola de magic escribimos el comando label SOURCE
En el diseño vemos que aparece la etiqueta SOURCE en el punto que teníamos seleccionado
Si usamos la tecla s para seleccionar todo el nodo completo, también veremos el nombre de ese nodo: SOURCE
El último paso es convertir la etiqueta en un puerto. Ejecutamos el comando port make
La etiqueta cambia a color azul para indicar que es un puerto
Ya está la FUENTE terminada
Para conectar la puerta primero temos que agrandar la parte del polysilicio para que rodee por completo la vía que pondremos más adelante
Lo siguiente es colocar el contacto, que se denomina pcontact. Lo situamos en el interior del polisilicio
Y pulsamos el botón central del ratón
Aparece la vía, pero salen errores de DRC porque todavía NO hemos colocado la capa locali. La añadimos a continuación, como ya sabemos
Desaparecen los errores de DRC. Ahora añadimos la vía viali para la conexión con la capa de metal. Salen también errores de DRC porque todavía no tenemos la capa metal1
Colocamos la capa metal1 y desaparecen los errores de DRC
Por útimo ponemos la etiqueta GATE y la convertimos a un puerto ejecutando los comandos
label GATE
port make
Utilizamos la tecla s para seleccionar toda la puerta, y comprobar que las conexiones son correctas
Así es como queda en 3D lo que llevamos construido
El sustrato-p hay que sacarlo también al exterior, para conectarlo a gnd. Para su conexión primero hay que crear una zona con extra de portadores p que se denomina psubstratepdiff. Primero dibujamos la caja y luego apretamos con el botón central del ratón en la capa psubstratepdiff
Aparece la capa sin ningún error de DRC
Colocamos la capa locali, con un tamaño igual a las aneriores. No aparecen errores de DRC
Para conectar el sustrato-p con locali hay que utilizar un contacto de tipo psusbstratepcontact
Colocamos la capa metal1 y la vía viali, igual que con la fuente y la puerta
Por último creamos la etiqueta VSUBS y la convertimos en un puerto con los comandos:
label VSUBS
make port
Comprobamos con la tecla s que hay conexión entre todas las capas
El sustrato P ya lo tenemos accesible desde un contacto metálico
Este es el modelo 3D de lo que llevamos hasta ahora
Es la misma que con la fuente. Hay que colocar una vía ndcontact, la capa locali, la vía viali y la capa metal1
Con la tecla s comprobamos que todas las capas del drenador están conectadas
Así es como queda el diseño final del mosfet, con la rejilla activada:
Y este es el diseño final sin la rejilla
Y este es el modelo 3D final
Una vez que tenemos diseñado el MOSFET-N, el siguiente paso es simularlo en spice. He instalado ngspic utilizando el comando:
sudo apt install ngspiceLa versión instalada es:
obijuan@JANEL:~$ ngspice --version
******
** ngspice-42 : Circuit level simulation program
** Compiled with KLU Direct Linear Solver
** The U. C. Berkeley CAD Group
** Copyright 1985-1994, Regents of the University of California.
** Copyright 2001-2023, The ngspice team.
** Please get your ngspice manual from https://ngspice.sourceforge.io/docs.html
** Please file your bug-reports at http://ngspice.sourceforge.net/bugrep.html
** Creation Date: Sun Mar 31 20:15:14 UTC 2024
******
obijuan@JANEL:~$Para realizar la simulación ejecutamos primero el comando extract all. Esto es lo que sale:
Este comando extrae todos los parámetros del diseño y genera el fichero mosfet_n.ext, que es un formato utilizado por magic. Este es su contenido, que se incluye aquí por curiosidad
timestamp 1787215117
version 8.3
tech sky130A
style ngspice()
scale 1000 1 500000
resistclasses 4400000 2200000 950000 3050000 120000 197000 114000 191000 120000 197000 114000 191000 48200 319800 2000000 48200 48200 12800 125 125 47 47 29 5
parameters sky130_fd_pr__nfet_01v8 l=l w=w a1=as p1=ps a2=ad p2=pd
port "DRAIN" 4 350 60 350 60 m1
port "SOURCE" 1 -110 60 -110 60 m1
port "GATE" 2 -110 180 -110 180 m1
port "VSUBS" 3 -110 -110 -110 -110 m1
node "DRAIN" 170 157.292 350 60 m1 0 0 0 0 0 0 0 0 12000 440 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 12800 480 11200 440 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
node "SOURCE" 170 108.157 -110 60 m1 0 0 0 0 0 0 0 0 12000 440 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 12800 480 11200 440 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
node "GATE" 330 310.998 -110 180 m1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 12800 660 0 0 12000 460 17600 600 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
substrate "VSUBS" 223 0 -110 -110 m1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 10000 400 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 12800 480 11200 440 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
cap "DRAIN" "GATE" 9.38015
cap "GATE" "SOURCE" 71.4165
cap "DRAIN" "SOURCE" 24.8075
device msubckt sky130_fd_pr__nfet_01v8 100 0 101 1 l=40 w=120 "VSUBS" "GATE" 80 0 "SOURCE" 120 12000,440 "DRAIN" 120 12000,440
El siguiente paso es ejecutar estos comandos para convertir el fichero anterior al formato de spice.
ext2spice lvs
ext2spice
Se genera el fichero mosfet_n.spice, cuyo contenido es el siguiente:
* NGSPICE file created from mosfet_n.ext - technology: sky130A
.subckt mosfet_n SOURCE GATE VSUBS DRAIN
X0 DRAIN GATE SOURCE VSUBS sky130_fd_pr__nfet_01v8 ad=0.3 pd=2.2 as=0.3 ps=2.2 w=0.6 l=0.2
.ends
Se ha creado un subcircuito de spice que tiene como parámetros los 4 puertos que se han definido: SOURCE, DRAIN, GATE y VSUBS
Para comprobar el MOSFET N hay que hacer bancos de pruebas en spice que sitúen las tensiones correspondientes y saquen las gráficas. Vamos a realizar 2 pruebas, una para medir la corriente que atraviesa el mosfet, y la otra para sacar las familias de curvas características. En ambos circuito hay que indicar la ruta de la libreria spice (sky130.lib.spice) para la tecnología sky130. En mi caso está instalada en el directorio /.ciel/sky130A/libs.tech/ngspice
- test_mosfet_n.spice: Comprobación de la corriente que atraviesa el transistor
* Testbench para simular el transistor NMOS
.include "mosfet_n.spice"
* Ruta al modelo del PDK Sky130
.lib "/home/obijuan/.ciel/sky130A/libs.tech/ngspice/sky130.lib.spice" tt
* ----------------------------------------------------------
* -- Instanciar el MOSFET N
* -- El orden de los parametros debe ser el mismo indicado
* -- en el fichero mosfet_n.spice
* -----------------------------------------------------------
X1 SOURCE GATE VSUBS DRAIN mosfet_n
* Tensiones aplicadas al transistor
Vss SOURCE 0 DC 0V
Vds DRAIN 0 DC 1.8V
Vgs GATE 0 DC 0V
Vsub VSUBS 0 DC 0V
* Variar Vgs desde 0V hasta 1.8V en pasos de 10mV
.dc Vgs 0 1.8 0.01
.control
run
* Mostrar la gráfica de la corriente que circula por el
* transistor en funcion de la tension que llega por la puerta
plot -i(Vds)
.endc
.end
Hay que ejecutar el comando ngspice test_mosfet_n.spice
obijuan@JANEL:~/Develop/Learn-open-silicon/wiki/Log/examples/mosfet_n$ ngspice test_mosfet_n.spice
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** ngspice-42 : Circuit level simulation program
** Compiled with KLU Direct Linear Solver
** The U. C. Berkeley CAD Group
** Copyright 1985-1994, Regents of the University of California.
** Copyright 2001-2023, The ngspice team.
** Please get your ngspice manual from https://ngspice.sourceforge.io/docs.html
** Please file your bug-reports at http://ngspice.sourceforge.net/bugrep.html
** Creation Date: Sun Mar 31 20:15:14 UTC 2024
******
Note: No compatibility mode selected!
Circuit: * testbench para simular el transistor nmos
Doing analysis at TEMP = 27.000000 and TNOM = 27.000000
Using SPARSE 1.3 as Direct Linear Solver
Reference value : 0.00000e+00
No. of Data Rows : 181
ngspice 1 ->Esta es la gráfica que aparece:
- test_mosfet_n2.spice: Familia de curvas I-V
* Testbench para obtener la familia de curvas I-V (Id vs Vds) para varios Vgs
.include "mosfet_n.spice"
* Ruta al PDK de Sky130
.lib "/home/obijuan/.ciel/sky130A/libs.tech/ngspice/sky130.lib.spice" tt
* ----------------------------------------------------------
* -- Instanciar el MOSFET N
* -- El orden de los parametros debe ser el mismo indicado
* -- en el fichero mosfet_n.spice
* -----------------------------------------------------------
X1 SOURCE GATE VSUBS DRAIN mosfet_n
* Tensiones aplicadas al transistor
Vss SOURCE 0 DC 0V
Vds DRAIN 0 DC 0V
Vgs GATE 0 DC 0V
Vsub VSUBS 0 DC 0V
* Barrido anidado DC:
* 1. Barrido principal: Variar Vds de 0V a 1.8V (pasos de 10mV)
* 2. Barrido secundario: Variar Vgs de 0.6V a 1.8V en pasos de 0.3V
.dc Vds 0 1.8 0.01 Vgs 0.6 1.8 0.3
.control
run
* Dibujar la corriente de drenador para cada curva de Vgs
plot -i(Vds) xlabel "Vds [V]" ylabel "Id [A]" title "Familia de Curvas Id vs Vds (Parametrizado por Vgs)"
.endc
.end
Hay que ejecutar el comando ngspice test_mosfet_n2.spice
obijuan@JANEL:~/Develop/Learn-open-silicon/wiki/Log/examples/mosfet_n$ ngspice test_mosfet_n2.spice
******
** ngspice-42 : Circuit level simulation program
** Compiled with KLU Direct Linear Solver
** The U. C. Berkeley CAD Group
** Copyright 1985-1994, Regents of the University of California.
** Copyright 2001-2023, The ngspice team.
** Please get your ngspice manual from https://ngspice.sourceforge.io/docs.html
** Please file your bug-reports at http://ngspice.sourceforge.net/bugrep.html
** Creation Date: Sun Mar 31 20:15:14 UTC 2024
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Note: No compatibility mode selected!
Circuit: * testbench para obtener la familia de curvas i-v (id vs vds) para varios vgs
Doing analysis at TEMP = 27.000000 and TNOM = 27.000000
Using SPARSE 1.3 as Direct Linear Solver
Reference value : 0.00000e+00
No. of Data Rows : 905
ngspice 1 -> Esta es la gráfica que aparece:
El transistor está FUNCIONANDO!!!
Para la fabricación de los chips se necesita generar un archivo que contiene la información sobre todas las máscaras que hay que generar para la construcción de las diferentes capas del chip. Uno de los formatos utilizado es el GDS
Desde Magic podemos generar el archivo de fabricación muy fácilmente con el comando gds write
Como ejemplo vamos a exportar el mosfet_n. Una vez cargado en Magic, ejecutamos gds write mosfet_n.gds
Se nos genera el fichero mosfet_n.gds. ¡Listos para fabricar!
Para visualizar los archivos GDS podemos utilizar la herramienta Klayout. Para instalarlo en Ubuntu hay que descargar el fichero .deb desde aquí: https://www.klayout.de/build.html
Yo he bajado la versión 0.30.10. Se instala con sudo apt install klayout_0.30.10-1_amd64.deb. Luego hay que ejecutar sudo apt --fix-broken install para que se instalen todas las dependencias
Esto es lo que aparece una vez arrancado:
Vamos a visualizar el fichero mosfet_n.gds generado anteriormente. Pinchamos en File/Open y seleccionamos el fichero
🚧 TODO 🚧
- Mostrar transistor en 3D!
- Tutorial magic: https://www.youtube.com/watch?v=D32woicgdRk