2020年6月23日 作者：Gary Dagastine 随着集成电路（IC）变得越来越复杂，在不能容忍失败的应用中也越来越重要--例如汽车--准确建模和验证拟议的IC设计在特定应用中的性能和可靠性的能力已具有紧迫的重要性。这种能力对于实现首次成功的硅产品至关重要，这也是为什么工艺设计套件（PDK）这一不起眼的工具现在发现自己处于聚光灯下。 PDK是一组文件，向用于设计芯片的EDA工具描述半导体工艺的细节。客户在生产前使用晶圆厂的PDK，以确保晶圆厂能根据他们的设计生产芯片，并确保芯片能按预期工作。 GLOBALFOUNDRIES正在进行一项重大努力，以确保其PDK为客户提供无与伦比的能力，以快速和具有成本效益的方式创建优化的IC，用于GF差异化技术平台具有独特优势的应用。 "PDK是客户与我们的主要接口和最重要的接触点，因为如果客户看不到在GF PDK中实现其功率、性能和面积（PPA）目标的方法，那么他们首先就不会与我们接触，"GF的 设计支持副总裁Richard Trihy说 。 "他说："仅去年一年，我们就发布了数百种不同的PDK，这证明了GF的高度差异化和功能丰富的解决方案。他说："但是，考虑到PDK可能有几百GB的大小，可能有几万个单独的文件，我们的目标也是使它们更加灵活、互动、更容易下载和使用，在我们不同的技术平台上有标准化的界面，"他说。 在Trihy的领导下，GF在过去一年中对PDK的关注得益于多方面的举措。其 中包括扩大GF设计和工程团队的规模和能力，这些团队可以在整个设计过程中与客户合作；进行战略投资，如 从Smartcom收购125人的PDK工程团队；开发与应用需求相匹配的PDK功能；以及发展GF的合作伙伴生态系统。 那么，PDK里有什么？ 在GF PDK中，你会发现。 描述相关设计规则的技术文件，以及设计规则检查工具。 参数化单元，或称PCells，描述了晶体管和其他器件的可能定制），在EDA工具中供设计者使用。 描述半导体的寄生提取和布局与示意图的甲板，以便EDA工具能够识别布局中的器件并在网表中产生准确的表示。 描述所有无源和有源器件（即晶体管）的电气行为的器件模型，将在模拟中使用。 在PDK中还有许多其他的组件技术文件，如放置和布线、填充甲板、EM/IR、电磁模拟和特殊EDA工具，这些都需要额外的启用。此外，多家EDA供应商提供了相互竞争的工具，GF的设计启用组织的部分工作是启用我们客户需要的所有这些工具。 "Trihy说："有两个关键因素对我们的设计启用和PDK交付至关重要。"第一个是质量保证，或称QA。PDK QA团队不仅验证PDK的每个组件是否正确，而且验证工具之间的接口和整个设计流程是否正确。 "第二个关键因素是参考流程和设计指南的集合，这对于代表设计流程如何运作以及为我们的客户提供建议以获得PDK的最佳结果至关重要，"他说。"作为参考流程的一部分，我们的团队与EDA供应商进行了非常密切的合作，以确保实现GF差异化技术的所有关键功能在工具中得到支持。 Trihy解释说，随着芯片设计功能复杂性的增加，对设计方法的指导变得越来越重要。需要为高度集成的SoC设计提供参考流程，其中包括收发器、计算、模拟和非易失性存储器块。 "他说："实现块级协同设计和2.5D/3D封装正在成为晶圆厂的竞争优势，EDA供应商作为开发伙伴在扩大PDK的范围方面发挥了关键作用。他说："信号完整性和热管理驱动着协同设计方法和支持性的CAD工具，这些工具必须能够理解各种不同的工作条件，直至毫米波频率。这是一个非常活跃的发展领域，从长远来看将在我们的PDK中创造新的内容和结构。这样的挑战对保持易用性的文件和指南提出了新的要求"。 GF 移动与无线基础设施业务部副总裁Peter Rabbeni 表示："我们与生态系统合作伙伴密切合作，确保GF的PDK不仅能与领先的EDA供应商的设计软件无缝对接，还能与其他常用的第三方工具集对接。例如，客户在选择电磁学仿真器时有很多选择，这对毫米波集成电路的设计至关重要。我们的生态系统合作伙伴与我们密切合作，将它们整合到我们的PDK中。" 对可靠性的深入研究 当今复杂的、高度集成的IC的设计者面临着许多挑战，因为关键任务的应用要求对IC的性能和可靠性进行更深入的分析，而这是用于更传统的数据处理应用的芯片所特有的。 准确建模是关键，因为材料、加工和封装的变异性--以及寄生和加速老化等次级电气效应的影响--对可靠性有重大影响。如果PDK不能让设计者充分模拟变异性对设计的影响，那么最终根据该设计生产的芯片可能在所有条件下都不能按预期工作，和/或可能过早老化并意外失效。 此外，晶圆厂的PDK必须确保有良好的模型-硬件关联（MHC），以便客户模拟的东西就是实际被制造的东西。"硅的首次成功一直是我们的目标，因为客户的芯片越快得到鉴定，其制造成本就越低，就能越快进入市场。然而，在整个行业中，鉴定失败仍然是一个巨大的问题，"GF公司应用工程部主任Kenneth Barnett说。 "他说："我们一直在努力成为首通成功的领导者，我们现在提供卓越的MHC结果，基于业界最好的射频、可靠性和热耦合模型。"我们还创建了一些参考流程，通过帮助客户更好地了解如何利用GF的差异化技术为复杂的应用设计IC，增加了我们的首通成功率。这些参考设计采用了各种GF技术平台；其中包括我们 针对5G/mmWave和SatComm应用的45RFSOI解决方案，以及针对移动处理器和无线网络、物联网和汽车市场的22FDX® FD-SOI解决方案。" GF也在不断为其PDK增加创新的IP。一个典型的例子是GF的90纳米 9HP SiGe解决方案。GF设计支持团队的技术专家Adam DiVergilio指出，GF开发了一种新的算法，使使用9HP平台的设计师能够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可靠性模拟器中加入了对我们架构的支持，因此我们现在能够更有效地支持SiGe PDK中的可靠性模拟。" 射频/毫米波的独特优势 Barnett说，GF的22FDX平台可以说是芯片技术的 "瑞士军刀"，因为它具有多功能性。"22FDX为用户提供了可观的处理能力，其反偏压能力使其能够为高性能或低功耗用途进行定制，使其非常适合于需要模拟/混合信号SoC的各种应用，因此有了这个绰号，"他说。"因此，我们必须为我们的客户提供最好的PDK，以便他们能够充分利用这些功能。" 他举例说，在22FDX中对射频/毫米波应用的IC设计进行建模和验证。鉴于所涉及的复杂物理学，这些是最难完全理解的应用之一，但它们代表了GF的核心竞争力，是基于收购IBM微电子所获得的几十年的经验。 "Barnett说："我们的PDK中嵌入的GLOBALFOUNDRIES专有IP使客户能够创造出比其他地方更好的解决方案。"例如，在无线通信应用中，与GF的22FDX平台一起使用的PDK使客户能够创造出功率放大器（PA）与前端集成的解决方案，从而获得更高的输出功率、更低的LNA噪声，并大幅提高链路预算。" Peter Rabbeni说，GF的射频/毫米波应用模型的质量是无与伦比的。"我们对我们的模型进行表征，远远高于典型的工作频率，最高可达110GHz，因为在这些高频率下捕捉器件的操作是非常重要的。我们使用多年来开发的专有方法，并利用物理测试场地，使我们能够在不断改进的过程中把我们的模型与实际测量结果联系起来。" 因此，他说，GF的PDK使客户能够更容易地适应正在发生的射频/毫米波设计的震荡变化。一个例子是用于5G基础设施的较新的大规模MIMO和相控阵系统，它使用多个功率放大器和信号链来聚集和开发辐射能量信号，而不是我们在以前的系统中看到的单一信号链。这种开发辐射功率的新方法现在使硅成为基于砷化镓或氮化镓系统的一个非常有力的竞争者，因为功率分布在许多元件上，而不仅仅是一个元件。 "从阵列中提取最佳性能的能力要求客户知道每个元件可以被驱动多少，但如果你没有我们的PDK中的精确可靠性和寿命模型的好处，你可能被迫在不太理想的条件下操作PA设备以确保其可靠性，"Rabbeni说。"而在这种情况下，人们可能需要用更多的功率放大器来过度设计系统，成本要高得多，功率预算也要高得多，以达到预期的性能。
