1. 什么是PDK

    PDK(Process Design Kit，工藝設計包)，是芯片設計公司和芯片制造廠商溝通的橋梁。PDK的產生與半導體企業模式發展密切相關，最初半導體企業主要是IDM(Integrated Design Manufacture，垂直整合)模式，集芯片設計、晶圓制造、封裝測試和銷售為一體，以Intel和三星為代表。1987年張忠謀創立臺積電，開創了一種創新式的Foundry(晶圓代工）模式，為Fabless(半導體設計公司)提供制造服務，這種模式大大降低了芯片企業進入市場的門檻，推動了整個行業的快速發展。臺積電以這種模式發展至今，已成為全球領先的半導體代工制造企業，同時也促生了很多具有市場競爭力的同類代工知名廠商，比如格羅方德、聯電、中芯國際等。

    芯片的制造成本極高，并且工藝流程復雜，Fabless很難保證芯片設計和制造的一致性，于是Foundry與EDA (電子設計自動化, Electronic Design Automation)廠商合作，把不同節點的設計規則、仿真模型、技術文件等工藝設計參數打包，Fabless遵循這個工藝包進行相應的芯片設計，在確保了設計和制造的一致性，大大降低芯片制造風險的同時，也加快了產品的迭代周期，這個工藝包慢慢就演變為現在的PDK。

2. PDK的基本構成要素

    芯片設計公司在進行產品規劃初期就要和Foundry進行對接，確定符合其產品需求的PDK。PDK和特定制程的工藝緊密聯系，不同Foundry采用的工藝也千差萬別，因此提供的PDK也各有差異，但PDK通常包括DRC、LVS、PEX、Pcell Library、Spice Model、DFM等，有的也會包含EMIR(Electro-Migration/IR drop)。

2.1 DRC

    DRC(Design Rule Check，設計規則檢查)，是利用EDA工具將芯片設計版圖中的所有幾何圖形和設計規則中所定義的尺寸、間距、位置關系等進行比較，設計者通過返標工具(RVE等)以高亮形式標記出版圖中出錯的位置，并依據報錯對設計進行修正。如圖2.1所示，(a)中layer1的寬度不滿足設計規則報錯，(b)中layer1與layer2之間距離要求space>=0.3um，當space小于0.3um時候則報錯，(c)中layer2包含在layer1里，當包含長度小于0.4um時則報錯。

    從以上例子可以看出，DRC是驗證特定芯片設計是否滿足制造工藝設計約束的方法，可以保證設計滿足制造的要求進而提升芯片的制造良率。半導體技術從最初的平面工藝發展到現在主流的FinFET(Fin Field-Effect Transistor，鰭式場效應晶體管)工藝，以及新一代的GAA(Gate All Around，環繞式柵極晶體管)工藝，同時每一代工藝衍生了大量不同的設計平臺，各自的設計規則也有所差異，并且隨著工藝節點的不斷縮小，DRC的數量、檢查難度和復雜程度都急劇增加。

2.2 LVS

    LVS(Layout Versus Schematic，電路圖與版圖一致性比較)，是將芯片設計的物理版圖(GDS文件)與電路原理圖(Schematic文件)中的連接性和各類參數通過EDA工具進行比較，來驗證邏輯電路與版圖在功能上的一致性。通常LVS檢查分為兩個步驟，首先對設計的layout版圖文件進行參數抽取，生成對應的網表(Spice list)；然后再與Schematic導出的網表(CDL文件)進行比較，設計者依據兩個網表的對比結果進行檢驗修正。通過LVS驗證，能夠確保設計原理圖與實際版圖的功能和參數完全一致，從而提升芯片的制造良率。

    如圖2.2所示，(a)為NMOS的電路原理圖，(b)為NMOS的Layout版圖，分別導出CDL文件與抽取Spice list并進行比較，得到(c)中網表一致的結果，即為通過LVS驗證。

2.3 PEX

    PEX(Parasitic Extraction，寄生參數提取)，所謂寄生參數是指在電子器件或電路中，由于物理特性而產生不必要的電容、電感和電阻，這些參數的存在會影響器件和電路的正常功能，所以對電路進行功能仿真是必要的。電路仿真分為前仿真和后仿真，前仿真是在理想條件下(即沒有任何寄生參數)對電路的功能性仿真；后仿真則是針對實際電路進行功能仿真，由于在設計版圖中器件本身、器件之間的互連線中存在著大量的寄生參數，如圖2.3所示，而且在不同的PVT(Power, Voltage, Temperature)條件下這些寄生參數對電路功能的影響是不同的，為了保證設計的安全性，就需要評估這些寄生參數對電路的影響。

    通常PEX需要在不同PVT條件下抽取電路的寄生參數，然后對電路進行后仿真，從而保證設計性能在不同條件下都達到要求。

2.4 Pcell

    Pcell(Parameterized cell，參數化單元)，是一種圖形化的可編程單元，可以通過在自動化工具中輸入參數來產生不同形狀和尺寸的可重復使用電路單元。這里提到的參數就是CDF(Component Description Format)參數，能夠描述器件的參數及屬性，用戶可以創建和描述定制器件，如圖2.4所示MOS管。

    Pcell的產生可以通過兩種方法來實現，一是使用Virtuoso GUI界面創建，適合初學者使用；另外一種就是可以通過SKILL語言編寫，該方法創建Pcell比較靈活，但對SKILL語言編程能力的要求較高。

    由于Pcell所對應的版圖設計已經通過物理驗證，利用EDA工具快速插入版圖數據，可以大大提高設計效率，加快產品的開發速度。

2.5 Spice Model

    Spice Model是PDK中的仿真器件模型，電路設計完成時，將仿真模型參數輸入到EDA工具提供的仿真器(Hspice, Specture)中，并與底層Spice (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis，電路仿真軟件)進行交互，用于仿真和分析電路的性能。這些模型包括了器件的電氣特性，如電阻、電容、電感等，以及它們隨電壓和電流變化的響應。

    在實際電路設計中，需要使用Foundry提供的工藝庫模型。在進行網表編寫時，必須在器件的描述語句中加上所使用器件的模型名，并通過.lib語句調用工藝庫文件，實現仿真功能。如果沒有Foundry提供的工藝庫模型，那么設計者就需要根據器件信息通過.MODEL語句自定義模型，在仿真過程中Hspice程序就會調用該器件的模型，如圖2.5所示。

2.6 DFM

    DFM(Design for Manufacture，可制造性設計)，目的是優化產品設計，使其更易于制造，并盡可能地減少制造過程中出現問題的可能性，最大程度地提高產品的制造效率、降低成本，同時保證產品質量。

    在后端物理驗證環節，或者在PDK中，典型的DFM主要是Dummy Fill，其主要目的是為整個芯片提供均勻的填充密度，以減少工藝過程中的許多問題，例如蝕刻不均勻、化學機械研磨過程中的表面不平整等，避免制造過程中的各種問題來提高芯片良率。

3、PDK在芯片設計各環節的深度應用

    通常一個數字芯片的研發過程可以分成需求分析、電路設計、物理布局、電路驗證、芯片制造、芯片測試和芯片發布七個步驟，如圖3.1所示，PDK的使用貫穿了芯片設計的全流程，在不同階段起著不同的作用。通過PDK確保了芯片設計和Foundry流片工藝的一致性，降低設計風險的同時，也大大提高了芯片設計的效率。

4. PDK的效率革命-EDA賦能

    在早期階段，PDK主要是針對特定領域或特定產品的基本工具集合，包括一些基本的設計軟件和文檔。隨著集成電路技術的迅速發展，PDK開始變得更加復雜和全面，Foundry和設計公司需要提供更加完善的PDK，用來支持設計工程師在不同工藝節點上進行芯片設計。90年代末到21世紀初進入數字化革命，EDA(Electronic Design Automation，電子自動化設計)工具供應商和Foundry緊密合作，開發了功能更全面、驗證效率更高的工具，逐步提高了PDK開發的自動化程度，使得設計和驗證變得更加高效和精確。

    前面提到，PDK可被視為連接Foundry和Fabless的橋梁，而EDA就是搭建這座橋梁的工具。PDK中的驗證文件、仿真文件、技術文件、庫文件等基于不同的EDA工具進行開發。目前在半導體行業中應用范圍最廣，處于主導地位的三大EDA廠商分別是Synopsys、Cadence和Siemens EDA(前身為Mentor Graphics)，可用于DRC和LVS開發的EDA工具包括Cadence PVS、Synopsys ICV以及Mentor Calibre，可用于PEX的開發的工具有Cadence QRC、Synopsys StarRC以及Calibre xRC和xACT。

    表4.1列出了臺積電N2節點在不同環節中采用的EDA工具，從表中可以看出，N2節點中用于PDK開發的EDA工具均來自以上三家公司。

5. PDK的發展現狀與未來

    回顧PDK的發展歷程，可以歸結為四個階段：獨立開發、概念形成、標準化和人工智能。

    早期芯片的設計和制造主要由幾家大公司完成，隨著行業的快速發展，獨立開發工藝資料的模式越來越局限，于是在設計和制造的緊密合作中逐漸形成了PDK的概念。2000年后，一些行業組織和標準化機構推動了PDK的標準化工作，使得不同Foundry的PDK更加兼容，促進了行業內部的合作和創新。最近幾年隨著人工智能和機器學習等技術的興起，對芯片性能、功耗和面積提出了更高的要求，隨著先進技術的快速迭代以及市場競爭的不斷加劇，PDK未來也將逐步地朝著更加自動化和智能化方向發展。

    總的來說，PDK的發展歷史可以看作是半導體行業發展的一個縮影，它不斷適應著技術和市場的變化，為芯片設計人員提供越來越豐富、可靠的工具和資源。