Desarrollo de diseño nanoelectrónico en celda de 160x100 micrómetros a través del proyecto open-source Tiny TapeOut y elaboración de material académico sobre el diseño de ASIC para el programa de ingeniería electrónica de la Universidad del Valle de Guatemala

Abstract

Este trabajo de graduación se centró en el diseño y la manufactura de un circuito digital, específicamente, una unidad aritmética y lógica (ALU) de 4 bits, implementada en Verilog y manufacturada en una celda de 160x100 µm mediante la plataforma open-source Tiny Tapeout. El objetivo fue desarrollar un diseño digital funcional y realizar el proceso de manufacturación, con la elaboración de material de aprendizaje sobre las áreas básicas, intermedias y avanzadas de diseño ASIC mediante las herramientas Wokwi y OpenLane. El diseño de la ALU de 4 bits fue sintetizado y optimizado en OpenLane para su manufactura, generando un archivo GDSII que cumplió con los estándares requeridos para su fabricación en Tiny Tapeout. Esta demostró un funcionamiento adecuado en la realización de operaciones aritméticas y lógicas básicas, lo que comprueba la viabilidad del flujo de trabajo propuesto para el diseño y la manufactura de ASIC en celdas de tamaño reducido. Como parte de este proyecto, se desarrolló material académico incluyendo guías y videos educativos editados en la plataforma Capcut. Estos recursos cubrieron los aspectos básicos, intermedios y avanzados del diseño de ASIC, facilitando el aprendizaje autodirigido. Permitieron la comprensión de cada fase del proceso, desde la creación del diseño hasta su manufactura. Además, los videos proporcionaron una comprensión visual de conceptos en electrónica digital, arquitectura de computadoras y nanoelectrónica. En conclusión, se alcanzó el objetivo de diseñar y manufacturar un ASIC funcional en una plataforma accesible de código abierto, además de proporcionar materiales educativos que complementan la formación práctica de los estudiantes de ingeniería electrónica. Este proyecto fue considerado una contribución significativa al programa académico que permite que los estudiantes adquirieran conocimientos aplicables en el diseño y la manufactura de circuitos integrados. Se recomienda el desarrollo de más proyectos con la plataforma de Tiny Tapeout con diseños más complejos con el n de aprovechar al máximo los recursos educativos que ofrecen. Se sugiere evaluar cómo otras plataformas de simulación y síntesis se comparan con las herramientas open-source y si podrían complementarse en futuros proyectos.

This graduation project focused on the design and manufacturing of a digital circuit, speci cally, a 4-bit Arithmetic and Logic Unit (ALU), implemented in Verilog and fabricated in a 160x100 µm cell using the open-source Tiny Tapeout platform. The main objective was to develop a functional digital design and carry out the manufacturing process, along with the creation of educational material for learning on basic, intermediate, and advanced ASIC design using the Wokwi and OpenLane tools. The design of the 4-bit ALU was successfully synthesized and optimized in OpenLane for manufacturing, generating a GDSII le that met the required standards for fabrication on Tiny Tapeout. The designed ALU demonstrated proper functionality in performing ba sic arithmetic and logical operations, verifying the feasibility of the proposed work ow for designing and manufacturing ASICs in reduced-size cells. Furthermore, as part of this project, academic material was developed, including detailed guides and educational videos edited on the Capcut platform. These resources covered the basic, intermediate, and advanced aspects of ASIC design, facilitating self-directed learning. The guides enabled the understanding of each phase of the process, from the creation of the digital design to its nal manufacturing. Additionally, the videos provided a visual unders tanding of key concepts in digital electronics, computer architecture, and nanoelectronics, enhancing the learning experience and accessibility to integrated circuit design. In conclusion, the objective of designing and manufacturing a functional ASIC on an accessible, open-source platform was achieved, as well as providing educational materials that complemented students' practical training in electronic engineering. This project was considered a signi cant contribution to the academic program, allowing students to acquire applicable knowledge in integrated circuit design and manufacturing. It is recommended to develop more projects using the Tiny Tapeout platform, but with more complex designs in order to fully take advantage of the educational resources it o ers. It is suggested to evaluate how other simulation and synthesis platforms compare to the open-source tools and whether they could be integrated into future projects.