4.5 PDKと設計基盤の構築（sky130を中心に）
4.5 PDK and Design Infrastructure (with sky130)
PDK（Process Design Kit）は、設計と製造を結ぶ最も重要な情報基盤です。
本節では、オープンPDKである sky130 を例に、構成要素・役割・教育での活用を解説します。
A PDK bridges design and manufacturing by offering a full set of rules, models, and tools.
This section uses sky130 as a case study to explore its structure and educational applications.
📦 PDKとは何か？｜What is a PDK?
| 🇯🇵 日本語 | 🇺🇸 English |
|---|---|
| ある製造プロセスに対応する設計ルール・モデル・セル・検証情報を一式提供するキット | A kit that provides rules, models, cells, and verification data for a given process. |
| 回路・レイアウト・検証チームが共通のプラットフォームとして使用する | Used by circuit, layout, and verification teams as a shared design environment. |
🧩 PDKの構成要素（sky130の例）｜PDK Components (sky130)
| 機能領域 / Functionality | 内容 / Description | 拡張子・形式 / Files |
|---|---|---|
| 🧱 デザインルール / Design Rules | 寸法・間隔・DRCルール | .lef, .tech, .drc |
| 🔋 デバイスモデル / Device Models | SPICEモデル、バラつき対応、プロセスコーナー | .model, .lib, .tt, .ff, .ss |
| 🧩 セルライブラリ / Cell Library | 回路図シンボル・標準セル・GDS構造 | .lib, .gds, .mag, .json |
| 🧪 シミュレーション / Simulation | SPICEパラメータ、バイアス条件、温度設定 | .spice, .cfg, .tcl |
| ⚙️ ツール設定 / Tool Setup | Magic, KLayout, OpenROAD 等への対応ファイル | .magicrc, .klayout, .openlane, .tcl など |
📌 sky130 PDKは Google × SkyWater × efabless により オープンソースで提供されており、
無償で使用可能かつ教育・研究に最適です。
🧠 教育活用の視点｜Educational Use Cases
| 教育テーマ / Educational Theme | 活用例 / Practical Use Example |
|---|---|
| ✅ モデルを使ったId-Vgカーブの描画 | .model ファイルを用いた SPICE シミュレーション演習 |
| ✅ DRC / LVS の理解と実行 | .lef, .tech に基づくレイアウト検証と自動チェック |
| ✅ セル構造の観察とカスタマイズ | .gds, .lib を読み込み、標準セルの構造を視覚的に理解 |
| ✅ 回路図からGDSまでのフロー体験 | OpenLaneやMagicを使って RTL → Layout → GDS の一貫設計を体験 |
⚙ PDKの工学的役割｜Engineering Role of PDK
PDKは単なる設計データではなく、設計と製造をつなぐ契約書です。
| 観点 / Viewpoint | 意味 / Description |
|---|---|
| 🎓 制約の定義 | 物理的・電気的に守るべきルールや条件を明示（歩留まりと信頼性を担保） |
| 🧱 設計の基盤構築 | 実際の設計に必要な構成要素（セル・モデル・配線）を包括 |
| 🔄 実製造との接続 | 製造ファウンドリとの設計仕様・データ互換性を保証 |
✅ PDKを理解することは、設計者が製造責任を担う第一歩です。
Understanding the PDK is the first step toward responsible design.
🔄 次節への接続｜Lead-in to Next Section
▶️ 4.6 LDD構造と短チャネル効果（SCE）
LDD Structure and Short Channel Effects (SCE)
LDD（Lightly Doped Drain）構造は、ソース・ドレイン近傍の電界緩和とホットキャリア抑制のために導入され、短チャネル効果（SCE）の緩和にも重要な役割を果たします。
LDD structure helps relax electric fields near the drain, suppress hot carrier injection, and mitigate threshold voltage roll-off in short-channel MOSFETs.
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