[技術資訊]類比/混合訊號AMS設計與驗證用PDK

Updated: Dec 2, 2020

Source reference: Mentor, A Siemens Business

NICOLAS WILLIAMS,MENTOR GRAPHICS 產品行銷經理

JEFF MILLER,MENTOR GRAPHICS 產品行銷經理


緒論

無線技術日益普及而且必然邁向更高程度的整合,使得目前的積體電路內建類比/混合訊號 (AMS) 元件有增加的趨勢。突如其來的物聯網 (IoT) 裝置需求,產生了對全流程 AMS 設計環境的獨特要求。這些環境必須具成本效益且容易使用,但其效能則足以創造出部署物聯網周邊的各式產品。設計人員、晶圓代工廠及 EDA 廠商因此更加需要開始掌握 AMS 設計施展的「黑魔法」。

在一個純數位設計的世界中,設計自動化工具的困難點在於跟上設計的複雜性,以應付現今製程節點上出現的大量電晶體。顯而易見的,類比設計不但困難且緩慢,而且隨著複雜性增加,在混合訊號 IC 設計流程中很快就會遭遇嚴重的瓶頸。雖然目前已有 AMS 設計工具,但此類型的設計根本難以自動化。更麻煩的是,AMS 設計需要目標製程的詳細知識。


什麼是 PDK?

以下是製程設計套件 (PDK) 引人矚目的地方。這些年來,人們對於 PDK 產生許多的誤解,像是 PDK 包含及不包含哪些、是誰製作的、價格多少以及需要哪些支援等。基本上,PDK 是特定晶圓代工廠在針對特定製程技術時常用於模型化電晶體的一組資料檔。PDK 通常包含一個電路符號資料庫、參數化佈局單元 (P 單元)、SPICE 模型以及與設計自動化流程相關的技術檔案。


圖 1:P 單元能大幅加速類比佈局,特別是 HV DMOS 之類的佈局。


參數化佈局單元 (P 單元) 資料庫用於元件的自動化產生,為 PDK 不可或缺的部分。P 單元不應和數位標準單元混為一談。P 單元是類比/混合訊號設計中非常基本的元件等級建置區塊,包含特定的製程設計的規則。這些單元可減少設計驗證程序中 DRC (設計規則檢查) 疊代的次數,並大幅增加最終設計在首次製造合格檢查上正確無誤的可能性。P 單元也能針對特定 EDA 工具的 LVS (佈局與電路圖比較)、ERC (電氣規則檢查) 及 DFM (可製造性設計) 等項功能而量身打造。

PDK 也和「參考流程」或「參考工具流程」(RTF) 不同。RTF 是晶圓代工廠建議的設計工具組合,不但在特定製程上已被證實,還能針對速度、區域、低功率或其他參數進行最佳化。晶圓代工廠可能會強調互通性已獲證實,且能在目標製程中產生所需結果的特定工具,甚至是特別設計的工具。另外,RTF 可針對可用工具的順序及類型提供更通用的建議。RTF 逐漸能提供參考設計,藉以展示精細且有時複雜的電路是如何使用特定的工具流程來建立並驗證的。

大多數的 EDA 廠商均支援 PDK 和 RTF,甚至可能將兩者結合在一起。例如,某些工具廠商會使用自有的電路圖設計套件,或實體驗證技術流程,將這兩者整合在一起。上述將 PDK 給合 RTF 和其他技術檔案 (甚至工具本身) 的例子,導致人們對 PDK 究竟包含了哪些項目感到疑惑。


明確的優勢

基本上,PDK 是 EDA 工具和半導體製程間的一種介面,可描述製程的電氣、良率和效能等面向。重要的是,PDK 不僅是用於特定製程,也是對特定工具流程而設計的。一般而言,僅有在晶圓代工廠和 EDA 廠商合作下才能夠開發出這些檔案。有一點非常重要,即設計經理必需確保取得晶圓代工廠提供的 PDK 能支援對應的工具,或者 EDA 提供的 PDK 能支援目標晶圓代工廠的特定製程。

若 EDA 工具搭配使用可支援目標製程的 PDK,即會產生明顯的優勢。基本的優勢是可減少整體的設計時間。設計的設定時間能大幅縮短,但更主要的是,通過確認設計與特定的製程規則一致,能夠節省可觀的時間和精力。支援先進佈線工具和互動式自動化技術 (例如規則驅動設計) 的 PDK 可大大提升生產力。放眼全球,PDK 有助於提升設計品質及設計的一致性,最終獲得更高的良率。

晶圓代工廠和 EDA 廠商在創建 PDK 方面的投資相當巨大。若晶圓代工廠擁有許多製程選項 (CMOS、BiCMOS、高低電壓、高低功率及每個都有不同的幾何形狀),加上客戶們採用不同廠商的工具,則可能需要投入很大精力。讓 EDA 廠商支援或開發每個客戶均能使用且適用每個製程的 PDK,同樣可能是一項難巨的任務。


互通性啟發創新

TSMC 是最大的獨立晶圓代工廠。他們支持 IPL (互通性 P 單元資料庫) 計畫,並已宣布在 65 nm 和更小製程的類比/混合訊號設計上採用互通性 PDK。基本上,TSMC 僅需要為每個製程開發一種 iPDK,然後使其容易地被許多支援 IPL 計畫 的 EDA 廠商即可。


TSMC 的 iPDK 據說可支援所有的自訂設計流程,其範圍從電路圖繪製到最終佈局驗證,包括建立佈局的技術檔案、佈局前模擬、佈局驗證 (DRC、LVS 和 ERC) 及佈局後模擬。

X-FAB 和 Tower Jazz 等其他數家晶圓代工廠也採用了 iPDK 概念。iPDK 是以 Si2 和開放原始碼 P 單元開發工具的 OpenAccess 共同資料庫作為基礎。重要關鍵在於,IC 設計人員首度能夠使用多家廠商提供的工具,開發並使用特定製程的 P 單元資料庫。

iPDK 還帶給設計人員其他許多好處。開放的 P 單元資料庫對全面性重複使用設計相當有幫助。獲得混合及搭配使用不同廠商的工具的能力將更加容易。如此將能刺激全新 AMS 設計自動化功能的創新發展。採用新工具的速度將更快,有助於設計人員在較高階的設計整合上採用先進且更自動的方法。這對於從 65 nm 移至更小尺寸時將會特別重要。


PDK 支援套件

在 iPDK 普遍之前,AMS IC 設計人員仍能繼續享有標準 PDK 的效益。但是,確定您所選的 EDA 廠商可提供目標製程 PDK,這一點永遠很重要。

就晶圓代工廠的觀點來看,TSMC 這類的主要廠商已開始加入 AMS 的戰局,但其中更多的競爭者是屬於較小的類比專業晶圓代工廠。這些晶圓代工廠除了也提供 PDK 之外,也傾向支援那些使用其他供應商所提供之工具的客戶。

晶圓代工廠逐漸發現,他們的類比/混合訊號業務,通常有很大的一部分來自使用不同 EDA 供應商所提供之工具套件的使用者,包括 Mentor Graphics 的 Tanner EDA 套件。事實上,由於可直接支援 Tanner PDK,若以所有向歐洲的 X-FAB 提交的案件為例,有三分之一以上來自使用 Tanner EDA 套件的客戶。其他晶圓代工廠也透過 Mentor Graphics,直接或間接支援 Tanner 工具。此外,Mentor Graphics 也透過 Europractice 和 Mosis 之類的組織,提供 PDK 支援給 Tower Jazz、Dongbu HiTek、AMS、TSMC、UMC、SMIC 及其他晶圓代工廠。

有時候,新的 PDK 的開發工作僅需要數日或數週即可完成。打造某些 PDK 相對上可能比較直接,特別是多數晶圓代工廠已習慣使用 Mentor Graphics 的 Tanner EDA。這很大程度上取決於客戶設計的複雜性、目標製程的性質、以及是否包含額外的資料庫元件和最佳化選項。

Mentor Graphics 針對簽訂維護合約的客戶提供 Tanner EDA PDK 服務,而且通常也提供包含回呼的符號庫;Spice 模擬模型;圖層、GDSII 和彩現定義;P-單元;驗證設定;以及寄生參數萃取規則文件。搭配 Tanner EDA IC 設計工具套件使用時,PDK 可為客戶提供一個緊密配合目標製程的設計流程:從電路圖繪製開始,然後從電路圖導向佈局到完整的 DRC 和 LVS 驗證。

轉換至 iPDK 之後,將能更輕鬆快速地提供不同晶圓代工廠製程支援。可互通的 P 單元將使客戶能真正享受到重複使用設計、創新工具的優點;在設計人員目前受到更大的矽整合壓力下,可及時加速設計生產力。Tanner EDA 的設計套件目前可支援 OpenAccess 和 iPDK。



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