撰文：Gary Dagastine

在汽车等对故障零容忍的应用领域中，集成电路（IC）变得越发复杂，愈加重要，为此，准确建模和验证IC设计在给定应用中的性能和可靠性，是当前急需具备的重要能力。这种能力是实现硅晶设计一次性成功的关键，也是工艺设计套件（PDK）这种低调的实用工具如今备受关注的原因所在。

PDK是一组描述半导体工艺细节的文件，供芯片设计EDA工具使用。客户会在投产前使用晶圆厂的PDK，确保晶圆厂能够基于客户的设计生产芯片，保证芯片的预期功能和性能。

格芯®（GLOBALFOUNDRIES®）努力保障客户能使用PDK快速而经济地创建针对特定应用的IC，发挥格芯差异化技术平台提供的独特优势。

格芯设计实现副总裁Richard Trihy表示：“PDK是我们与客户之间的主要接口与重要触点，因为如果客户无法在格芯PDK中找到达成功耗、性能与面积（PPA）目标的方法，他们就不会与我们合作。”

他说：“仅去年一年，我们就发布了数百个不同的PDK，充分证明了格芯的解决方案不仅功能丰富，还高度差异化。但考虑到PDK可能有几百GB大，包含数以万计的文件，所以我们也力求在我们的不同技术平台上实现标准化接口，让PDK更加灵活、更具交互性，更易于下载和使用。”

在Trihy的领导下，格芯去年从多个方面推进了PDK研发工作，包括：扩充格芯设计与工程团队的规模和职能，使之能在整个设计过程中充分配合客户；执行战略投资，比如并购Smartcom的125人PDK工程团队；开发符合应用需求的差异化PDK功能；扩展格芯的合作伙伴生态系统。

PDK中包含什么？

在格芯PDK中，包含以下内容：

• 技术文件 – 描述相关设计规则与设计规则检查工具；  
• 参数化单元（PCell） – 描述晶体管（及其他器件）的可能定制方法，供设计师在EDA工具中使用；
• 寄生参数提取及版图与原理图对照文件 – 描述半导体器件，供EDA工具识别版图中的器件并在网表中准确呈现；
• 器件型号 – 描述模拟中用到的所有无源和有源器件（如晶体管）的电气行为。 

除此之外，PDK中还包含很多其他组件技术文件，例如布局与布线、填充、EM/IR、电磁模拟和需要额外支持的专业EDA工具。另外，有多家EDA供应商提供彼此竞争的工具，而格芯设计支持部门的部分工作就是为客户需要的各种工具提供支持。

Trihy称：“有两个要素对我们的设计支持与PDK交付工作至关重要。第一个关键要素是质量保证（QA）。PDK QA团队不仅要验证PDK的每个组件是否准确无误，还要验证工具间的接口和总体设计流程是否正确且恰当。” 

他表示：“第二个关键要素是一系列参考流程和设计指南，用于描述设计流程如何运作，并为客户提供建议，帮助客户利用PDK取得理想结果。作为参考流程的一部分，我们的团队会与EDA供应商密切协作，确保格芯差异化技术背后的所有主要特性都在工具中得到支持。”

Trihy解释道，随着芯片设计在功能层面变得日益复杂，设计方法指南也变得越来越重要。高度集成的片上系统（SoC）设计包含收发器、计算、模拟和非易失性存储模块，需要相应的参考流程加以辅助。

Trihy称：“模块级协同设计和2.5D/3D封装正逐渐成为晶圆厂的一大竞争优势，而作为开发合作伙伴，EDA供应商在助力PDK突破芯片层面上发挥着重要作用。出于对信号完整性和热管理的需求，需要使用协同设计方法和支持性CAD工具，且必须涵盖上至毫米波频率的各种工作条件。这是一个非常活跃的开发领域，从长远来看，将在我们的PDK中创建新的内容与结构。而此类挑战对辅助文档和上手指南提出了新的要求。”

格芯移动和无线基础架构业务部门副总裁Peter Rabbeni表示：“我们与生态系统合作伙伴紧密协作，确保格芯的PDK不仅与主流EDA供应商的设计软件无缝接合，也兼容其他常用的第三方工具集。例如，电磁模拟器是毫米波IC设计的关键，我们的客户在电磁模拟器方面会有很多选择，我们的生态系统合作伙伴也会与我们密切合作，将这些电磁模拟器集成进我们的PDK中。”

深入分析可靠性

相比于传统的数据处理应用，任务关键型应用要求对IC性能与可靠性进行更为深入的分析，因而如今的设计师在设计高度集成的复杂IC时面临诸多挑战。

准确建模是关键，因为材料、工艺和封装的可变性，外加寄生现象和加速老化等二次电效应的作用，都会严重影响可靠性。如果PDK无法让设计师就可变性对设计的影响进行充分建模，那按照此设计最终产出的芯片，可能不会在所有条件下都按预期运行，还可能会过早老化和出现意外故障。

此外，晶圆厂的PDK必须确保良好的模型到硬件关联（MHC），让客户能够“所模拟即所得”。格芯企业应用工程组总监Kenneth Barnett表示：“一次性完成硅晶设计是我们的一贯目标，因为客户的芯片越快通过认证，制造成本就越低，也能更快进入市场。然而，纵观整个行业，认证失败依然是个老大难问题。”

他说：“我们经过努力，成为了一次性完成硅晶设计的佼佼者。如今，依托行业先进的射频、可靠性和热耦合模型，我们能够提供出色的MHC成果。我们还创建了一系列参考流程，帮助客户更好地理解怎样使用格芯的差异化技术设计复杂应用的IC，从而提升了我们的一次性成功率。这些参考设计使用各种格芯技术平台构建，包括用于5G/毫米波和卫星通信应用的45RFSOI解决方案，以及用于移动处理器和无线联网、IoT及汽车市场的22FDX® FD-SOI解决方案。”

格芯还不断向自身PDK中加入创新知识产权。格芯的90nm 9HP锗硅（SiGe）解决方案就是一个很好的例子。格芯设计实现团队的技术专家Adam DiVergilio提到了公司新开发的一个算法，这个算法可供设计师使用9HP平台对高度复杂的模型库进行基于可靠性的模拟。“我们的生态系统合作伙伴Cadence在其RelXpert可靠性模拟器中融入了对我们架构的支持，因而现在能够在我们的硅锗PDK中更高效地支持可靠性模拟。”

射频/毫米波的独特优势

据Barnett介绍，格芯的22FDX平台具有良好的通用性，称得上是芯片技术界的“瑞士军刀”。他说：“22FDX为用户提供强大的处理能力，凭借背栅偏置功能，22FDX平台可针对高性能或低功耗使用场景加以调整，良好适应需要模拟/混合信号片上系统的各种应用，因而有了‘瑞士军刀’的美誉。为此，我们得向客户提供尽可能好的PDK，让客户能够充分利用这些功能。”

Barnett举出了在22FDX中对射频/毫米波应用IC设计进行建模和验证的例子。这些应用因为涉及复杂的物理特性，理解起来很困难，但这正代表了格芯的核心竞争力，建立在收购IBM微电子业务所获得的几十年经验基础之上。

Barnett称：“我们PDK中内置的格芯知识产权，让我们的客户能够创建优良的解决方案。例如，在无线通信应用中，格芯22FDX平台用到的PDK，就使客户能够创建功率放大器（PA）与前端集成的解决方案，从而提高输出功率，降低LAN噪声，大幅改善链路预算。”

Peter Rabbeni称，格芯射频/毫米波应用模型的品质非常优异。“我们模型的工作频率高于典型值，高达110 GHz，因为在高频上捕捉器件运行状况很重要。我们使用多年来开发的一套专用方法，在持续改进的过程中，利用物理测试站点将我们的模型与实际测量相关联。”

因此，他表示，格芯PDK使客户能够更容易地适应射频/毫米波设计领域正在经历的重大变迁。5G基础设施的新型大规模多入多出（MIMO）和相控阵系统就是个很好的例子。与之前的系统采用单一信号链不同，这些系统采用了多个功率放大器和信号链来聚合和增强辐射能量信号。由于功率分布在很多元件而非单个元件上，如今这一增强辐射功率的新方法令硅晶成为了砷化镓（GaAs）或氮化镓（GaN）基系统的有力竞争者。

Rabbeni称：“为了从阵列获取优异性能，客户需要知道每个元件可被驱动的程度，但如果没有我们PDK提供的精准可靠性和长效模型，可能不得不在非理想条件下操作PA器件以确保其可靠性。而在这种情况下，为达到预期性能，有可能需要过度设计系统，添置更多PA，导致成本和功率预算大幅增加。”

格芯精英计划表彰多名员工，肯定了他们身为发明者、导师和顾问所取得的丰硕成果

撰文：Michael Mullaney

Shesh Mani Pandey清晰地记得他的第一项专利：制造高增益垂直双极性结型晶体管的新方法。这种新方法充分兼容CMOS工艺，生产出的器件性能显著优于当时的可用器件。

尽管时隔20余年，Pandey从未忘记在授权专利上看到自己的名字，以及收到经理和公司领导发送的祝贺电子邮件时的那种成就感和自豪感。他表示，在为实现技术创新而欢欣鼓舞之余，还有一种如释重负的感觉，终于成功地走完了漫长、曲折、有时甚至有几分神秘的专利准备和申请之路。

“刚开始时，我追求专利的积极性很高，但我并不清楚如何获得专利。当我获得第一项专利时，我很高兴。我真的非常兴奋，我有一种‘好的，我能做到’的感觉，现在我对这个过程有了更深的了解。”格芯工程师，同时长期担任公司设备团队技术主管的Pandey说道。

Pandey之前就职于特许半导体（Chartered Semiconductor），该公司于2009年被格芯收购，多年来，他对发明的热情有增无减。如今，他拥有超过45项与半导体制造相关的各种技术专利。除了负责的项目以外，他还花时间为有创造力的同事提供建议和指导，这些同事正在其职业道路上蓄势待发，着手申请自己的第一项专利。

由于致力于创新和扩大格芯的知识产权(IP)组合，Pandey成为去年被赋予格芯“发明大师”荣誉头衔的11名员工之一。获得这项荣誉的同事至少要拥有20项美国授权专利，并且在技术成就和知识产权资产创造方面拥有出色的记录。

常驻纽约州马耳他Fab 8的Pandey表示：“格芯使发明者可以轻松申请知识产权。作为一家企业，我们支持并鼓励员工申请专利。我们鼓励资深发明者指导他人，帮助大家了解追求发明和知识产权的价值。从我们的员工一直到高层领导，大家对此看法一致。创新真正融入了我们的企业文化。”

格芯发明大师计划

格芯的发明大师计划现已进入第三个年头，这是一个奖励多产员工以及激励一直想提交发明申请专利的其他员工的强大平台，常驻佛蒙特州伯灵顿附近格芯Fab 9的格芯知识产权法律总监David Cain表示。

迄今为止，格芯已表彰约50名发明大师，Cain说他们是“公司在创新领域的耀眼明星……在发明和专利方面有着惊人成就的人。”在激励并指导同事的同时，发明大师还担任顾问，是格芯技术领导者和法律团队在各种技术、战略和知识产权主题方面的强大资源。

格芯的发明大师计划和创新文化也具有外部优势。Cain表示，除了收入、设计大奖和新客户之外，专利和知识产权还可以作为一种衡量标准，进一步体现格芯在半导体行业和全球供应链中的重要作用。

他补充道：“新的专利和知识产权对于保护、维护和发展我们广泛的差异化平台、特性和专业应用解决方案至关重要。格芯非常关注差异化，我们的技术人员和发明者推出伟大的创新，并运用在知识产权管道中，以便我们能够加以保护，他们在这种差异化中发挥的作用十分显著。”

指导是关键

在阐述新思想如何演变为新发明之时，不乏各种名言妙语。托马斯·爱迪生(Thomas Edison)说：“在发明创造的过程中，最重要的品质是坚持。”与他同时代的尼古拉·特斯拉(Nicola Tesla)说：“独处是发明的秘方；独处是创意的摇篮。”他们下一代的发明者查尔斯·凯特林(Charles F. Kettering)则表示：“发明是大脑和材料的结合。”

今天，全世界的研究人员和商学院学生都在研究创新，关于如何充分营造一个让创新生根发芽、蓬勃发展的环境，相关理论比比皆是。显然，创新的秘诀还没有完全发掘出来。但是，在与各个领域的发明者（从经验丰富的专业人士到刚刚开始知识产权之旅的人）讨论这个主题时，他们都认为指导是一项关键因素。

格芯技术解决方案团队主管，即去年和Pandey一起被授予格芯“发明大师”称号的杰出技术人员Jack Pekarik的情况无疑就是如此。

“任何人都可以成为发明者，你只需要理解它的含义是什么，”Pekarik说，他在2015年作为公司收购IBM微电子业务的一部分加入格芯，现在常驻Fab 9。他早在1985年已加入IBM，但几年以后才开始IP 之路。

“我是一个大器晚成的人。我一直没有意识到保护我们的工作并申请专利的可能性和重要性，直到我的一个同事开始关照我，向我展示整个过程是如何运作的，”他说。

Pekarik在IBM的早期专利是一种新型的可编程存储器，这涉及到对SRAM单元施加过应力，使它始终能在两种不同状态中的一种状态下启动。他表示，在专利上看到自己的名字是一种自豪的象征，是继续发明创造的重要动力来源。

Pekarik给那些对专利感兴趣的人的建议是找到或组成一个发明小组，并确保该小组至少包括一名在专利申请过程方面有经验的成员。他表示，在格芯以及其他一些公司，不乏大量才华横溢、上进心强的技术专业人士，他们已经组成了很多这样的小组，并且志同道合的同事们也一直在建立新的小组。

“也许是一群人，每周或每隔一周开一次会，聚在一起讨论并选择一个发明领域。找到问题，寻找解决方案。阅读并讨论专利文献，一起构思灵感，”他说，“我就是在找到这样一个小组之后，才得以了解这个过程。”

在Pekarik看来，任何公司有志向的发明者的最大障碍都与政策或程序无关——“格芯使其变得容易，”他说。相反，主要门槛是各行各业中存在的一个普遍误解，即申请知识产权保护是一项艰巨的任务，需要超人的努力和决心。

“指导是消除这一误解的强大方式，使得这个过程没有那么神秘，”他说道，“指导也是一种让更多员工参与进来的一种方式，这些员工正在思考发明，并最终会为我们的公司带来越来越多宝贵的发明成果。”

动力和成功

同样在去年被授予“发明大师”称号的还有设备集成工程师Bipul Paul，他常驻Fab 8，在格芯工作将近十年。Paul拥有近30项授权专利，还有几项研究正在进行中，他是一名积极的导师、顾问和合作者。和Pandey、Pekarik一样，他也是格芯专利审查委员会的重要成员。

Paul将专利视为所从事工作的一个自然的、几乎不可避免的延伸。

“我认为这是与生俱来的，如果你反复做同一件事，自然就会开始思考是否有更好的方式来做。对于我们从事技术工作的人来说，这可能就是通往发明之路的第一步。你只要把问题想清楚。进行讨论。记录你的工作。向他人寻求帮助和指导。”

Paul说，在格芯发明创造与在其他公司工作之间的一个重要区别是，他可以不受限制地与格芯公司不同团队和不同部门的同事交流。这种跨学科的思想交流是受到鼓励的，通常会产生意外的现成解决方案，而如果构想被隔离在单个学科的孤岛上，便不可能获得这样的启发。

Paul说道，许多发明者和有知识产权头脑的技术人员具有创新的内在动力，但也存在其他激励因素。创造专利当然对个人的职业生涯有好处，也能提高个人在公司和行业中的知名度。此外，格芯还为申请知识产权和专利提供财政激励，包括针对首次发明者以及被授予“发明大师”荣誉头衔的员工的具体激励措施。他表示，以后也可能会对专利收取版税。

他补充道，除了这些激励措施以外，在得知自己的创新将帮助格芯在市场上取得成功和发展时，还有一种巨大的成就感和自豪感。他表示，当发明成果应用到公司的差异化技术组合，以及应用到格芯提供给客户的晶圆中时，是特别有成就感的事情。

“公司拥有的知识产权资本越多，我们在市场上的地位就越稳固，越有保障，”Paul说，“帮助确保格芯取得成功，我们的知识产权受得保护，让我能够一直做我喜欢的事情。”

格芯即将宣布2020年度杰出“发明大师”的最新成员，敬请密切关注！