von Gary Dagastine

Da integrierte Schaltkreise (ICs) immer komplexer werden und in Anwendungen, bei denen Ausfälle nicht toleriert werden können - wie z. B. in der Automobilindustrie - von entscheidender Bedeutung sind, hat die Fähigkeit, die Leistung und Zuverlässigkeit eines vorgeschlagenen IC-Entwurfs in einer bestimmten Anwendung genau zu modellieren und zu verifizieren, dringend an Bedeutung gewonnen. Diese Fähigkeit ist von entscheidender Bedeutung, um erfolgreiches Silizium auf Anhieb herzustellen, und deshalb steht das bescheidene Arbeitspferd, das Prozessdesign-Kit (PDK), jetzt im Rampenlicht.

Das PDK ist eine Sammlung von Dateien, die die Details eines Halbleiterprozesses für die EDA-Tools beschreiben, die zum Entwurf eines Chips verwendet werden. Kunden verwenden die PDKs von foundryvor der Produktion, um sicherzustellen, dass foundry Chips auf der Grundlage ihrer Entwürfe herstellen kann und dass diese wie vorgesehen funktionieren.

GLOBALFOUNDRIES unternimmt große Anstrengungen, um sicherzustellen, dass seine PDKs den Kunden eine konkurrenzlose Möglichkeit bieten, schnell und kostengünstig ICs zu entwickeln, die für Anwendungen optimiert sind, bei denen die differenzierten Technologieplattformen von GF einzigartige Vorteile bieten.

"PDKs sind die primäre Schnittstelle und der wichtigste Berührungspunkt, den ein Kunde mit uns hat, denn wenn der Kunde keine Möglichkeit sieht, seine Ziele in Bezug auf Leistung, Performance und Fläche (PPA) innerhalb eines GF-PDKs zu erreichen, wird er sich gar nicht erst mit uns in Verbindung setzen", so Richard Trihy, Vice President of Design Enablementbei GF .

"Allein im letzten Jahr haben wir Hunderte verschiedener PDKs veröffentlicht, was ein Beweis für die hoch differenzierten und funktionsreichen Lösungen von GF ist", sagte er. "Angesichts der Tatsache, dass ein PDK Hunderte von Gigabyte groß sein und Zehntausende von Einzeldateien enthalten kann, haben wir uns zum Ziel gesetzt, die PDKs übersichtlicher, interaktiver und einfacher herunterzuladen und zu verwenden, und zwar mit standardisierten Schnittstellen für unsere verschiedenen Technologieplattformen", sagte er.

Unter der Leitung von Trihy hat sich GF im vergangenen Jahr auf PDKs konzentriert und dabei von Initiativen an mehreren Fronten profitiert. Dazu gehören der Ausbau der Größe und der Fähigkeiten der Design- und Engineering-Teams von GF, die den Kunden während des gesamten Designprozesses zur Seite stehen, strategische Investitionen wie dieÜbernahme des 125-köpfigen PDK-Engineering-Teams von Smartcom, die Entwicklung differenzierter PDK-Funktionen, die auf die Anwendungsanforderungen abgestimmt sind, und das Wachstum des Partner-Ökosystems von GF.

Was steckt also in einem PDK?

In einem GF PDK finden Sie:

• Technologiedateien, die die relevanten Entwurfsregeln beschreiben, zusammen mit Werkzeugen zur Überprüfung der Entwurfsregeln;  
• Parametrisierte Zellen oder PCells, die die möglichen Anpassungen von Transistoren und anderen Bauteilen beschreiben), die den Entwicklern in den EDA-Tools zur Verfügung stehen;
• Parasitärextraktion und Layout-gegen-Schaltplan-Decks, die einen Halbleiter beschreiben, so dass ein EDA-Tool Bauelemente in einem Layout erkennen und eine genaue Darstellung in einer Netzliste erzeugen kann;
• Bauelementemodelle, die das elektrische Verhalten aller passiven und aktiven Bauelemente (d.h. Transistoren) beschreiben, die in einer Simulation verwendet werden sollen. 

Das PDK enthält viele weitere technische Dateien für Komponenten wie Place-and-Route, Fill Decks, EM/IR, elektromagnetische Simulation und spezielle EDA-Tools, die zusätzlich aktiviert werden müssen. Darüber hinaus bieten mehrere EDA-Anbieter konkurrierende Tools an, und ein Teil der Aufgabe der Design Enablement-Organisation von GF besteht darin, alle diese Tools, die unsere Kunden benötigen, zu aktivieren.

"Zwei Schlüsselelemente sind für unser Design Enablement und die PDK-Bereitstellung entscheidend", so Trihy. "Das erste ist die Qualitätssicherung (QA). Das PDK-Qualitätssicherungsteam prüft nicht nur, ob die einzelnen Komponenten des PDK korrekt sind, sondern auch, ob die Schnittstellen zwischen den Tools und dem gesamten Designfluss korrekt sind. 

"Das zweite Schlüsselelement ist eine Sammlung von Referenzabläufen und Designrichtlinien, die für die Darstellung der Funktionsweise des Designablaufs und für die Bereitstellung von Empfehlungen für unsere Kunden zur Erzielung optimaler Ergebnisse mit dem PDK von wesentlicher Bedeutung sind", sagte er. "Als Teil eines Referenzflusses arbeitet unser Team sehr eng mit EDA-Anbietern zusammen, um sicherzustellen, dass alle wichtigen Funktionen, die die differenzierte Technologie von GF ermöglichen, von den Tools unterstützt werden.

Trihy erläuterte, dass mit zunehmender funktionaler Komplexität der Chipdesigns eine Anleitung zur Designmethodik immer wichtiger wird. Es werden Referenzabläufe für hochintegrierte SoC-Designs benötigt, die Transceiver-, Rechen-, Analog- und nichtflüchtige Speicherblöcke umfassen.

"Die Ermöglichung des Co-Designs auf Blockebene zusammen mit dem 2,5D/3D-Packaging entwickelt sich zu einem wettbewerbsfähigen foundry Unterscheidungsmerkmal, und die EDA-Anbieter spielen eine Schlüsselrolle als Entwicklungspartner, um den PDK-Horizont über die Chipebene hinaus zu erweitern", sagte er. "Signalintegrität und Wärmemanagement erfordern Co-Design-Methoden und unterstützende CAD-Tools, die einen breiten Bereich von Betriebsbedingungen bis hin zu Millimeterwellenfrequenzen abdecken müssen. Dies ist ein sehr aktiver Entwicklungsbereich, der auf lange Sicht neue Inhalte und Strukturen in unseren PDKs schaffen wird. Solche Herausforderungen stellen neue Anforderungen an Dokumentation und Richtlinien, die die Benutzerfreundlichkeit unterstützen."

Peter Rabbeni, Vice President des GeschäftsbereichsMobile & Wireless Infrastructurevon GF , sagte: "Wir arbeiten eng mit unseren Ökosystempartnern zusammen, um sicherzustellen, dass die PDKs von GF nicht nur nahtlos mit der Design-Software führender EDA-Anbieter, sondern auch mit anderen häufig verwendeten Toolsets von Drittanbietern zusammenarbeiten. So haben Kunden beispielsweise viele Optionen, wenn es um die Auswahl eines elektromagnetischen Simulators geht, der für das Design von mmWave-ICs entscheidend ist. Unsere Ökosystempartner arbeiten eng mit uns zusammen, um sie in unsere PDKs zu integrieren."

Ein tiefes Eintauchen in die Verlässlichkeit

Die Entwickler der heutigen komplexen, hochintegrierten ICs stehen vor vielen Herausforderungen, da unternehmenskritische Anwendungen eine viel tiefgreifendere Analyse der IC-Leistung und -Zuverlässigkeit erfordern, als dies bei Chips für herkömmliche Datenverarbeitungsanwendungen üblich ist.

Eine genaue Modellierung ist von entscheidender Bedeutung, da die Variabilität bei Materialien, Verarbeitung und Gehäuse - zusammen mit den Auswirkungen sekundärer elektrischer Effekte wie Parasiten und beschleunigter Alterung - einen großen Einfluss auf die Zuverlässigkeit hat. Ist ein PDK nicht in der Lage, die Auswirkungen der Variabilität auf einen Entwurf angemessen zu modellieren, funktioniert der Chip, der letztendlich auf der Grundlage dieses Entwurfs hergestellt wird, möglicherweise nicht unter allen Bedingungen wie vorgesehen und/oder er altert vorzeitig und fällt unerwartet aus.

Darüber hinaus müssen die PDKs von foundryeine gute Modell-Hardware-Korrelation (MHC) gewährleisten, damit das, was der Kunde simuliert, auch tatsächlich gebaut wird. "Je schneller der Chip eines Kunden qualifiziert werden kann, desto geringer sind die Herstellungskosten und desto schneller kann er auf den Markt gebracht werden. In der gesamten Branche sind jedoch Qualifizierungsfehler nach wie vor ein großes Problem", so Kenneth Barnett, Direktor der Corporate Application Engineering Group von GF.

"Wir haben hart daran gearbeitet, eine führende Position bei der First-Pass-Erfolgsquote einzunehmen, und bieten jetzt hervorragende MHC-Ergebnisse an, die auf den besten RF-, Zuverlässigkeits- und thermischen Kopplungsmodellen der Branche basieren", sagte er. "Darüber hinaus haben wir eine Reihe von Referenzdesigns entwickelt, die unsere First-Pass-Erfolgsrate erhöhen, indem sie unseren Kunden ein besseres Verständnis dafür vermitteln, wie sie ICs für komplexe Anwendungen mit den differenzierten Technologien von GF entwerfen können. Diese Referenzdesigns wurden mit verschiedenen GF-Technologieplattformen erstellt, darunter unsere 45RFSOI-Lösung für 5G/mmWave- und SatComm-Anwendungen sowie unsere 22FDX® FD-SOI-Lösung für mobile Prozessoren und die Märkte für drahtlose Netzwerke, IoT und Automotive."

GF erweitert seine PDKs zudem kontinuierlich um innovative IP. Ein Beispieldafür ist die 90nm 9HP SiGe-Lösungvon GF . Adam DiVergilio, technischer Experte im Design Enablement Team von GF, wies auf einen neuen Algorithmus hin, den GF entwickelt hat und der es Designern, die mit der 9HP-Plattform arbeiten, ermöglicht, zuverlässigkeitsbasierte Simulationen für Bibliotheken mit hochkomplexen Modellen durchzuführen. "Unser Ökosystempartner Cadence hat die Unterstützung für unsere Architektur in seinen RelXpert-Zuverlässigkeitssimulator integriert, so dass wir nun in der Lage sind, Zuverlässigkeitssimulationen in unseren SiGe-PDKs effizienter zu unterstützen."

Einzigartige Vorteile für RF/mmWave

Die 22FDX-Plattform von GF kann aufgrund ihrer Vielseitigkeit mit Fug und Recht als das "Schweizer Taschenmesser" der Chiptechnologie bezeichnet werden, so Barnett. "22FDX bietet den Anwendern eine beträchtliche Verarbeitungsleistung und kann dank seiner Back-Biasing-Fähigkeit sowohl für Hochleistungsanwendungen als auch für Anwendungen mit geringem Stromverbrauch maßgeschneidert werden, wodurch er sich für verschiedene Anwendungen eignet, die analoge und Mixed-Signal-SoCs erfordern - daher auch der Spitzname", sagte er. "Daher müssen wir unseren Kunden die bestmöglichen PDKs zur Verfügung stellen, damit sie die Vorteile dieser Funktionen voll ausschöpfen können."

Als Beispiel nannte er die Modellierung und Verifizierung von IC-Designs in 22FDX für RF/mmWave-Anwendungen. Diese Anwendungen gehören angesichts der komplexen physikalischen Zusammenhänge zu den am schwierigsten zu verstehenden, stellen aber eine Kernkompetenz von GF dar, die auf der jahrzehntelangen Erfahrung aus der Übernahme von IBM Microelectronics beruht.

"Die proprietäre IP von GLOBALFOUNDRIES, die in unseren PDKs eingebettet ist, ermöglicht es unseren Kunden, weitaus bessere Lösungen zu entwickeln, als sie es anderswo könnten", so Barnett. "In drahtlosen Kommunikationsanwendungen beispielsweise ermöglichen die PDKs für die 22FDX-Plattform von GF die Entwicklung von Lösungen, bei denen der Leistungsverstärker (PA) in das Front-End integriert ist, was eine höhere Ausgangsleistung, ein geringeres LNA-Rauschen und ein deutlich verbessertes Link-Budget zur Folge hat.

Peter Rabbeni sagte, die Qualität der Modelle von GF für RF/mmWave-Anwendungen sei unübertroffen. "Wir charakterisieren unsere Modelle weit über die typischen Betriebsfrequenzen hinaus, bis zu 110 GHz, weil es wichtig ist, den Betrieb der Geräte bei diesen hohen Frequenzen zu erfassen. Wir verwenden eine proprietäre Methodik, die wir über viele Jahre hinweg entwickelt haben, und wir nutzen physische Teststandorte, die es uns ermöglichen, unsere Modelle mit tatsächlichen Messungen in einem kontinuierlichen Verbesserungsprozess zu korrelieren."

Infolgedessen ermöglichen die PDKs von GF den Kunden eine einfachere Anpassung an die seismischen Veränderungen im RF/mmWave-Design, die derzeit stattfinden. Ein Beispiel sind neuere Massive-MIMO- und Phased-Array-Systeme für die 5G-Infrastruktur, die mehrere Leistungsverstärker und Signalketten verwenden, um das abgestrahlte Energiesignal zu bündeln und zu entwickeln, anstatt einer einzigen Signalkette, wie wir sie bei früheren Systemen gesehen haben. Dieser neue Ansatz für die Entwicklung der abgestrahlten Leistung macht Silizium jetzt zu einem sehr starken Konkurrenten für GaAs- oder GaN-basierte Systeme, da die Leistung über viele Elemente und nicht nur über ein einzelnes Element verteilt wird.

"Um die beste Leistung aus dem Array herauszuholen, muss der Kunde wissen, wie stark jedes Element angesteuert werden kann. Wenn man aber nicht über die genauen Zuverlässigkeits- und Lebensdauermodelle verfügt, die in unseren PDKs verfügbar sind, könnte man gezwungen sein, ein PA-Gerät unter weniger als idealen Bedingungen zu betreiben, um seine Zuverlässigkeit zu gewährleisten", so Rabbeni. "Und in diesem Fall müsste man das System möglicherweise mit viel mehr PAs überdimensionieren, zu viel höheren Kosten und mit einem viel höheren Leistungsbudget, um die gewünschte Leistung zu erreichen.