PDKとは

THEME 08 デバイスと回路 · 設計・アーキテクチャProcess Design Kit

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PDKとは、ファウンドリから設計する側へ渡される、設計情報ファイル一式です。 トランジスタやその他の素子のモデル、設計ルール、シミュレーションツール、レイアウトツール、検証ツールなどが含まれ¹、中身の値はその工場で実際に作って測ったシリコンから来ており、PDKは工場ごと、プロセスごとに固有です。

PDKは、ファウンドリと設計側が同じ仕様を手元に持つための一式

ファウンドリはプロセスを提供するだけでなく、製品の設計に必要な情報やデータやツールやIPまで提供しています。その中身の主要な部分がPDKです。

PDKは、半導体製造を請け負うファウンドリから、ICを設計する企業（デザインハウス）などに提供されます。製造プロセスに最適化された設計ルールやシミュレーションモデル、標準セル情報などを渡し、設計と製造の橋渡し役を担います。東京エレクトロンの解説記事²はより広く、ファウンドリと半導体開発企業（ファブレスメーカーなど）をつなぐ情報パッケージと表現し、中身をプロセスルール、レイヤー構造、デバイスモデル、ライブラリなど、製造技術に付随して設計者が考慮すべき技術仕様としています。渡す側と受け取る側が同じ仕様を手元に持ち、同じ前提で作業を進める状態そのものが、この一式の役目です。

PDKは、特定の半導体プロセスで回路を設計する際に使う設計情報ファイル群でもあります³。特定のプロセスに紐づくという点が、このあとの話にすべてかかります。同じ工場でも、プロセスが違えば別のPDKになります。

中身は、設計ソフトがそのまま読み込むファイル群

「設計ルールを渡す」と聞くと分厚い仕様書を思い浮かべがちですが、実際に渡るのは、設計ソフトがそのまま読み込むファイル群です。ファウンドリのDB HiTekは、PDKがチップ設計に必要なファウンドリデータと様々な情報をすべて載せているとし⁴、設計者がSchematic/Layout設計から検証、Tape-outに至るまで全体のDesign Flowを容易に行えるようサポートするとしています。挙げられている部品は、それぞれ役割が違います。

回路図を構成するトランジスタ、レジスタなどを示す記号（PMOS、NMOS、BJT、RESなど）
素子の動作特性を正確に予測するためのSPICE（スパイス）モデル
レイアウトの繰り返し生成を自動化するパラメトリックセル（PMOS, NMOS, BJTなど）
DRC/LVS規則ファイルと、素子・配線に付く寄生成分を抽出するファイル

回路図を描く段から検証する段まで、設計工程のそれぞれに対応する部品が入っています。

工程ごとに、使う部品が決まっています

回路図を描く段から検証する段まで、設計工程それぞれに対応する部品がPDKに入っています。どれも設計ソフトがそのまま読み込むファイルです。

同じプロセスでも、渡され方は複数あります。ファウンドリのタワーセミコンダクターは、自社のPDKが主要なEDAベンダーのデザインフローをサポートでき、フロントエンドからバックエンドまでの統合されたデザイン環境を提供しているとしています⁵。デザインキットはCadencePDKとiPDKの両方をサポートします。

中身の値は、その工場で作って測ったシリコンから来る

工場ごとに固有になる理由は、中身の作られ方にあります。PDKのSPICEモデルは、5つのステップを経て設計者のもとに届きます⁶。TEGと呼ばれる測定用の素子を設計し、実際に製造し、測定し、そこからパラメータを抽出して、PDKとしてまとめる順です。

中身は実測値です。その工場で実際にシリコンを作り、測った結果が元になっているので、工場が変われば値が変わり、PDKも別のものになります。SPICEモデリングを専門とするモーデックは、回路設計者がここで提供されるSPICEモデルを絶対的な指標（神様）として設計を行い、製造にいたるとしています。

技術的な中身も重く、MOSFETではBSIM（ビーシム、Berkeley Short-channel IGFET Model）と呼ばれるモデルがデファクト・スタンダードとして用いられています。BSIMモデルは単体でも数百のパラメータを持ち、それらを電気的・物理的な背景をふまえて合わせ込むのは難しい作業です。タワーセミコンダクターも、素子ごとに使うモデルの名前を挙げています。MOSFET, MOSVAR用PSPモデル、BJT用HiCUMモデル、Resistor用R3モデル、RF SOI用HiSIM SOI モデル、LDMOS用HiSIM_HVなどです。素子の種類ごとに、別の記述の仕方が用意されています。

PDKの数字は、そのシリコンから来ています

測定用の素子を作って測り、そこからパラメータを抽出してPDKにまとめます。中身がその工場の実測値である以上、工場を替えれば前提ごと入れ替わります。

設計にはPDKが要り、PDKの入手には契約が要る

PDKを手に入れられるのは、ファウンドリと契約した企業です。ここが産業の構造を左右します。製造後の半導体チップを正しく動作させ量産可能にするには、PDKに沿って設計されたチップである必要がありますが、一般にPDKはファウンドリが契約者に限定的に提供していました²。ファブレスが工場を持たずに済むようになっても、ファウンドリとの契約という扉は手前に立ったままです。

オープンPDKが開いたのは、教育と研究と試作の扉

その扉に、部分的な開きが生まれています。130nmのCMOSプロセスに基づくPDKがApache License 2.0として提供され、NDA不要で教育や研究、スタートアップの試作に活用できる状態になっています。米国のGlobalFoundriesは180nm MCUプロセス向けPDKを試作プログラムに開放し、ドイツの研究機関IHPも130〜250nmノードでオープンPDKを公開しました。東京エレクトロンの記事は²、レガシープロセスを中心にオープン化が拡大しているとしています。国内では、ミニマルファブ推進機構が2023年11月1日に、ミニマルファブでCMOS集積回路を実現するためのPDK（Process Design Kit）をオープンしました。

期待の範囲は正確に見積もる必要があります。東京エレクトロンの記事は、オープンなPDKが設計人材を教育する際に重宝する存在となっているとし、商用への利用はまだ先の段階だとしています。

よくある質問（FAQ）

PDKとは何ですか？

半導体集積回路を設計する際に必要な設計情報ファイルをまとめたものです。トランジスタやその他の素子のモデル、設計ルール、シミュレーションツール、レイアウトツール、検証ツールなどが含まれます。

誰が誰に渡すのですか？

半導体製造を請け負うファウンドリから、ICを設計する企業（デザインハウス）などに提供されます。

PDKに沿って設計する必要があるのはなぜですか？

製造後の半導体チップを正しく動作させ量産可能にするには、PDKに沿って設計されたチップである必要があるためです。

読み物なのですか？

違います。中身は、素子の振る舞いを再現するSPICEモデル、レイアウトを自動生成するPCell、DRC/LVSの規則ファイル、回路図の記号といった、設計ソフトが読み込むファイル群です。

中身の値はどこから来るのですか？

実際に作って測った値が元になります。PDKのSPICEモデルは、TEGの設計、TEGの製造、TEGの測定、パラメータ抽出、PDKパッケージ提供という5つのステップを経て設計者のもとに届きます。

入手できるのは誰ですか？

ファウンドリと契約した企業です。一般にPDKは、ファウンドリが契約者に限定的に提供してきました。

オープンなPDKもあるのですか？

あります。130nmのCMOSプロセスに基づくPDKがApache License 2.0として提供され、NDA不要で教育や研究、スタートアップの試作に活用できます。ただし東京エレクトロンの記事は、オープンなPDKは設計人材の教育で重宝されている段階で、商用への利用はまだ先だとしています。

比較・違いを学ぶ

ファウンドリとは── PDKを渡す側
半導体IPとは── 同じく設計に要るもので、渡す主体が別です

出典

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