🧱 4.3 Sky130における設計制約の実践的整理
Practical Design Constraints for Sky130 PDK
📘 本節の目的｜Purpose
本節では、SkyWater提供の Sky130 PDK (Process Design Kit) を用いたPoC設計において、
RTL段階から意識すべき設計制約を実務ベースで整理します。
制約を無視した設計は後工程でエラーや手戻りを生むため、
物理設計と整合した設計初期の制約理解が極めて重要です。
🧱 Sky130 PDKの基本情報｜Basic Info of Sky130
| 項目｜Item | 内容｜Details |
|---|---|
| 提供元 | SkyWater Technology |
| プロセスノード | 130nm（実効L ≈ 150nm） |
| 電圧対応 | 1.8 V / 3.3 V（※1.8 Vを使用） |
| メタル層 | 5層（M1〜M5）通常はM1〜M3使用 |
| PDK構成 | DRC/LVSルール、LEF/GDS、SPICEモデル、セルライブラリ |
📏 PoC設計における主な制約項目｜Design Constraints for PoC
🔋 電源・電圧｜Power and Voltage
| 項目｜Item | 値｜Value | 備考｜Remarks |
|---|---|---|
VDD |
1.8 V | 標準セルライブラリに準拠 |
GND |
0 V | 共通グランド |
⏱️ タイミング制約｜Timing Constraints
| 項目｜Item | 値｜Value | 備考｜Remarks |
|---|---|---|
| クロック周波数 | ≦ 25 MHz | Setup/Hold制約の緩和目的 |
| クロックスキュー | ＜ 200 ps | PoCではツール任せで十分 |
📐 レイアウト制約（OpenLane）｜Layout Constraints
| 区分｜Category | 内容｜Constraint | 説明｜Remarks |
|---|---|---|
| マクロサイズ | ≦ 50µm × 50µm | 各PoCブロックを小さく抑える |
| メタル使用範囲 | M1〜M3中心（M4/M5は限定使用） | 配線密度高い部分のみにM4/M5使用 |
| DRC準拠 | Sky130Aルール準拠 | magicで検証可能 |
| 配線間隔 | M1: ≧ 0.14µm 他 | PDKに基づく自動制約に従う |
🧪 検証フロー｜Verification Flow
| 項目｜Type | ツール｜Tool | 内容｜Purpose |
|---|---|---|
| DRC | Magic | ルール違反チェック |
| LVS | Netgen | GDS–SPICEネットリスト比較 |
| STA | OpenSTA | Setup/Holdタイミング検証 |
| シミュレーション | Verilator / iverilog | RTL or ポストレイアウト検証 |
⚙️ OpenLane制約ファイル例｜Sample design_config.tcl
# design_config.tcl の抜粋
set ::env(CLOCK_PERIOD) "40.0" ;# 25 MHz 相当
set ::env(FP_CORE_UTIL) "30" ;# セル利用率
set ::env(PL_TARGET_DENSITY) "0.5" ;# 配置密度
set ::env(DESIGN_IS_CORE) "1"
| パラメータ | 意味 |
|---|---|
CLOCK_PERIOD |
クロック周期（単位ns） |
FP_CORE_UTIL |
論理セルの占有率（面積あたり） |
PL_TARGET_DENSITY |
配置ターゲット密度（ルーティング余裕） |
📝 RTL設計時に意識すべき記述指針｜RTL Coding Guidelines
-
🧾 明確な信号名とビット幅定義
例：[3:0],flag_done,clk,rst_n -
🔁 同期リセットを基本とする
OpenSTA では非同期リセットが警告対象になることがある -
🧩 定数はプレフィックス付きで定義
例：STATE_IDLE,MUX_SEL_B -
🧱 シンプルで最適化に強い記述
論理合成（flatten/optimize）時に混乱を防ぐ構造を心がける
🔗 次節への接続｜Next Section
次節 4.4：Verilog記述とテストベンチ では、
本節で示した設計制約を反映したRTLコード・テストベンチ構成を示し、
FSM・MUX・Adderのそれぞれに対応する記述例とシミュレーション方法を解説します。