用于模拟和混合信号设计和验证的PDK
2018-06-25 20:22:52   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

简介

由于无线技术的普及，越来越多的模拟/混合信号（AMS）元素加入到集成电路中，高集成度成为必然趋势。对物联网（IoT）器件的需求突然上升，使全流程AMS设计环境面临特殊的要求：经济实惠、易于使用且足够强大，能够创建物联网边缘所需的各类产品。设计人员、晶圆代工厂和EDA供应商比以往任何时候都更需要掌握AMS设计的“黑魔法”。

如今的工艺节点拥有数目庞大的晶体管，设计的复杂度也越来越高，因而纯数字领域的设计自动化工具面临着新的挑战。与此同时，随着复杂度的增加，难度高且进度缓慢的模拟设计很快成为混合信号IC设计流程的重大瓶颈。虽然有AMS设计工具，但这类设计很难实现自动化。更麻烦的是，AMS设计需要对目标制造工艺的详细了解。

什么是PDK？

为解决这些挑战，工艺设计工具包（PDK）应运而生。长期以来，人们对PDK产生了一些误解，特别是对它包含什么内容、不具备什么、由谁来建立、以及需要什么支持等。从本质上来说，PDK就是用于特定晶圆代工厂的特定工艺技术的晶体管建模的数据文件集。PDK通常包括原理图符号库、参数化版图单元（P-cell）、Spice模型以及与设计自动化流程相关的技术文件。

图1：P-cell可以大幅提高模拟版图的速度，尤其针对复杂的器件，例如HV DMOS

P-cell库用于自动化器件生产，是PDK不可或缺的一部分。P-cell很容易与数字标准单元相混淆。P-cell是模拟/混合信号设计最基础的器件构建模块，包含了特定工艺的设计规则。它们减少了设计验证流程中设计规则检查（DRC）的迭代次数，显著提高了最终设计实现一次性完成制造的可能性。P-cell还可以根据特定EDA工具进行调整，以适用于版图与原理图比较（LVS）、电气规则检查（ERC）和可制造性设计（DFM）的特点。

PDK与参考流程或参考工具流程（RTF）也不一样。RTF是晶圆代工厂建议的设计工具套件，已经过特殊流程的验证，可针对速度、区域、低功耗或其他参数进行优化。晶圆代工厂可能会重点建议某些已验证具备互操作性的工具，甚至是工具的某个发行版本，这些工具能够生成目标工艺要求的结果。此外，RTF可以描述更通用的建议，即可以使用的工具的顺序和类型。越来越多的RTF附有参考设计，演示了如何使用特定的工具流程创建和验证精细且复杂的电路。

大多数EDA供应商既支持PDK又支持RTF，有时候，他们甚至将这两者捆绑在一起。有些工具供应商可能会通过原理图设计套件或物理验证技术流程将这两者整合在一起。像这样将RTF和其他技术文件捆绑到PDK中，甚至这些工具本身，都导致了很多人对PDK的具体内容感到困惑。

明显的优势

PDK本质上是EDA工具与半导体制造工艺之间的接口，描述了工艺的电气、良率和性能等。重要的是，PDK不仅可用于特定工艺，也可用于具体的工具流程。PDK通常需要晶圆代工厂和EDA供应商合作开发。设计经理必须确保来自晶圆代工厂的PDK支持EDA工具，或者来自EDA供应商的PDK支持目标晶圆代工厂的特定工艺。

支持针对目标晶圆代工工艺PDK的EDA工具具有明显的优势。主要优点是可缩短整个设计的时间。设计设置的时间可以显著减少，特别是通过确保设计遵循特定的工艺规则，PDK节省了大量在后端设计的时间和精力。PDK支持高级布线工具和交互式自动化技术（例如规则驱动设计），这可以显著提高效率。从全局来看，PDK有助于提高设计质量、增强设计一致性，从而最终提高良率。

晶圆代工厂和EDA供应商在创建PDK方面的投入非常大。晶圆代工厂拥有很多工艺选择，比如CMOS、BiCMOS、低电压或高电压、低功率或高功率，以及各种不同的几何图形等，而且其客户使用来自不同供应商的工具，所以涉及的工作量非常巨大。另外，对于EDA供应商来说，他们需要针对每位客户使用的每个工艺的PDK提供支持或开发，也同样是一项艰巨的任务。

互操作性促进创新

台积电（TSMC）是规模最大的独立晶圆代工厂，支持IPL协议（可互操作的P-cell库），其模拟和混合信号设计的65nm以及更小的工艺都采用互操作的PDK（简称iPDK）。从原则上来讲，TSMC只需要针对一个工艺开发一个iPDK，那么很多支持IPL协议的EDA供应商就可以轻松采用其开发成果。

图2：iPDK包含的元素

TSMC的iPDK支持从原理图输入到最终版图验证的完整设计流程，包括用于版图创建、布线前仿真、版图验证（DRC、LVS和ERC）以及布线后仿真的技术文件。

当前大多数的晶圆代工厂都支持iPDK。iPDK采用OpenAccess通用数据库，该数据库来源于硅集成创新联盟（Si2）和开源P-cell开发工具（PyCells）。关键在于，IC设计人员可以使用不同EDA供应商的工具调用针对特定工艺开发的P-cell库。

iPDK还为设计人员提供了许多其他好处。开源P-cell库意味着将大力促进整个设计的重复使用。与来自不同供应商的工具混合搭配成“最佳组合”工具将更加容易。因此，这将大力推动全新的AMS设计自动化功能的创新发展。新的工具可以更快获得采纳，而这将有助于设计人员采用先进的、更自动化的方法，实现更高层次的设计集成。从65nm往更小的特征尺寸发展时，这一点尤其重要。

PDK支持包

在iPDK成为规范之前，AMS IC设计人员可以继续获得标准PDK的优势。但是，务必要始终确认所选EDA供应商是否为目标工艺提供PDK支持。

从晶圆代工厂的角度来看，像TSMC这样的主要厂商正转向AMS的领域，但是，在这一领域，精通模拟技术的小型晶圆代工厂更具代表性。除了提供PDK，他们还致力于为使用其他供应商工具的客户提供支持。

很多晶圆代工厂发现其模拟/混合信号业务很大一部分来自使用各种EDA供应商工具套件的用户，其中包括Mentor Graphics提供的Tanner EDA。事实上，自从直接支持Tanner PDK以来，对于欧洲的X-FAB，超过1/3的订购量来自使用Tanner EDA套件的客户。其他晶圆代工厂也通过Mentor Graphics直接或间接地支持Tanner工具。

此外，Mentor Graphics通过Europractice和Mosis等组织为晶圆代工厂提供PDK支持，这些晶圆代工厂包括Tower Jazz、东部高科（Dongbu HiTek）、AMS、台积电（TSMC）、联华电子（UMC）、中芯国际（SMIC）。有时候，开发新的PDK仅需短短几天或数周的时间。有些PDK的创建相对来说比较简单，尤其是在大多数晶圆代工厂已习惯使用Mentor Graphics的Tanner EDA的情况下。这在很大程度上取决于客户设计的复杂性、目标工艺的性质，以及是否包含额外的库元素和优化选择。

Mentor Graphics的Tanner EDA的PDK为客户提供各种维护服务，通常包括：提供带有回调函数的符号库、Spice仿真模型、层、GDSII和渲染定义、P-cell、验证设置，以及寄生参数提取平台。与Tanner EDA IC设计工具套件结合使用时，PDK为客户提供从原理图输入、仿真到原理图驱动版图的设计流程，以及与目标工艺紧密匹配的完整的DRC和LVS验证。

转用iPDK之后，就能更快、更轻松地为不同晶圆代工工艺提供支持。可互操作的P-cell意味着客户可以真正得益于设计复用。虽然更高的硅集成度会对设计人员带来压力，但与创新工具结合使用后，它可以大幅提升设计效率。目前，Tanner EDA的设计套件可支持Open Access和iPDK。

麦姆斯咨询和Mentor建立战略合作伙伴关系，麦姆斯咨询代理销售Tanner系列EDA软件，并开展专题研讨会及培训课程。

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