アナログIC設計入門

0.1 道具が5本に分かれている理由

本講座では次の5本を使います。

プリント基板の設計ソフトである KiCad は、回路図エディタ、基板エディタ、部品ライブラリが1つのアプリケーションにまとまっています。本講座の5本は、そうなっていません。別々のプログラムであり、開発元も異なります。

統合されていないのは、これらが1つの計画のもとで作られたのではなく、別々の場所で別々の目的のために作られ、あとから組み合わせて使われるようになったためです。

0.2 それぞれが受け取るものと出すもの

magic が4つの工程を担当しています。図形を描き、検査し、そこから回路を取り出し、製造データを書き出します。5本のうち magic だけを覚えるのであれば、この4つが magic の仕事です。

klayout は工程に含まれません。magic が出力した .gds を別のソフトで開いて確認するために使います。同じソフトで書いて同じソフトで読むと、書き出しの誤りに気づけないためです。

0.3 ファイルの流れ

【図0-1】ファイルの流れ

  人の操作
     │
     ├─→ xschem ──→ inverter.sch          回路図
     │                    │
     │                    ↓ ネットリスト出力
     │              inverter.spice ──→ ngspice ──→ 数値
     │                    │                        （閾値、遷移時間）
     │                    │
     │                    └──────────────┐
     │                                    │
     └─→ magic ───→ inverter.mag         │  回路図側
                          │               │
              ┌───────────┼───────┐       │
              ↓           ↓       ↓       │
            DRC        抽出    GDS出力     │
              │           │       │       │
          違反の件数  inverter.ext │       │
                          │       │       │
                          ↓       ↓       │
                  inverter.spice  inverter.gds
                    （レイアウト側）  │
                          │          └─→ klayout ──→ 画面表示
                          │
                          └───→ netgen ←─┘
                                    │
                                    ↓
                                comp.out    照合結果

中央から左右に分かれ、最後に netgen で合流します。左が回路図から出たネットリスト、右がレイアウトから取り出したネットリストです。この2つが一致すれば、描いた図形が意図した回路になっていることになります。第7章の作業です。

0.4 途中のファイルはすべて読める

やり取りされるファイルは、.gds を除いてすべてテキストです。テキストエディタで開いて中身を確認できます。

いずれも、本講座の手順で作成したインバータ1個での実測値です。読者が作るものも同じ程度になります。

レイアウトのファイルは、次のような内容です。

インバータのレイアウト（inverter.mag）の冒頭

  magic
  tech sky130A
  magscale 1 2
  timestamp 1786228265
  << nwell >>
  rect -420 320 240 1300
  << nmos >>
  rect -15 -100 15 100

層の名前と長方形の座標が並んでいます。<< nwell >> の次の行が、nwell という層に置かれた長方形1個です。数字4つは、左下のX、左下のY、右上のX、右上のYです。

座標の単位は magic の内部単位で、sky130A では1単位が 0.005µm です。<< nmos >> の rect -15 -100 15 100 は、横幅が 15−(−15) = 30単位 = 0.15µm、縦が 100−(−100) = 200単位 = 1.0µm を意味します。この 0.15µm がゲート長、1.0µm がチャネル幅です。第4章で決める数値が、そのまま図形の寸法になります。

ネットリストは次のような内容です。

レイアウトから取り出したネットリスト（inverter.spice）

  .subckt inverter VSS VDD OUT IN
  X0 OUT IN VSS VSS sky130_fd_pr__nfet_01v8 w=1 l=0.15
  X1 OUT IN VDD VDD sky130_fd_pr__pfet_01v8 w=3.5 l=0.15
  .ends

トランジスタ2個と、その接続先が書かれています。X0 の行が NMOS、X1 の行が PMOS です。w と l は幅と長さで、単位はマイクロメートルです。

この2行は、図形から計算された値です。読者が描いた長方形の寸法が、そのままここに現れます。第7章では、この値が回路図に書いた値と一致するかを照合します。

0.5 章とツールの対応

第6章を除き、各章は1本か2本のツールで完結します。第3章でエラーが出た場合、原因は xschem か、その設定ファイルか、読者の操作のいずれかです。magic や netgen は関係しません。切り分けの範囲がこれで決まります。

第7章では5本すべてを使います。工程が3つ（抽出、照合、出力）あり、それぞれ担当が異なるためです。

0.6 GUIとコマンドの使い分け

5本のうち、xschem と magic と klayout は画面を持ちます。ngspice と netgen は画面を持たず、コマンドで実行します。

xschem と magic は、画面での操作と、コマンドでの操作の両方ができます。同じ作業をどちらでも実行できます。

第3章と第6章では画面で描きます。図形の位置を目で見ながら決めるためです。第5章では、同じ作業をコマンドで実行する形に置き換えます。条件を変えて何度も繰り返す作業になるためです。この置き換えが可能なのは、両方の入口が用意されているためです。