LPB Formatとは

近年のシステムの高速化と低電圧化によりタイミングとノイズの設計マージンが減少しています。しかしながら競争力を高めるためにコストと性能のバランスをとることが求められています。従来の設計ではLSI、パッケージおよびボード (LPB) は、予め設けられた個々の設計マージンに従って設計されていました。しかしシステム全体の設計マージンの減少によりLPBの各部分に設計マージンを定めることが難しくなり、コストと性能のバランスをとることが困難になってきています。これを打開するにはLPB の各部分の設計者が協力することが必要です。つまりシステム全体の最適化のためにはLPBの各部分が協調して設計ガイドラインを決定することが必要になります。このタスクを実行するには迅速で正確なシミュレーション環境が必要となってきています。

従来の設計

従来の設計技術ではLPB の各部分が個別に部分的な最適化を行うだけで、システム全体の最適化と解析は行われませんでした。その結果、システム全体にわたって物理現象を観測することができず、LPBの各部分に過大な設計マージンが与えられていました。これは最終製品の品質とコストに大きな影響を与えていました。

設計現場での一般的な問題

デザイナーの間での誤解

デザイナーが異なる意味で同じ単語を使用すると、デザイナー間の誤解が生じる可能性があります。そのようなことは非常に頻繁に起こります。デザイナーが頻繁に使用する言葉は組織のデザインカルチャーに依存しているため、異なる組織のデザイナー間のコミュニケーションは誤解される傾向があります。これは、異なる組織間で交換された設計文書に対しても起こります。多くの設計者は、このような意思疎通の誤解による不幸な経験を持っているはずです。これは、多くの組織が関わるLPBの相互運用可能な設計にとって大きな問題となります。

システム設計のための情報不足

LSI、パッケージ及び基板の間の設計制約やマージンは、個別に設計していては想定することは困難です。設計者は他のコンポーネントとの間の設計マージンについて不確かであるため、それらの接続時に大きな障害に直面します。たとえば、LSI パッドの割り当て、パッケージボールの割り当て、ボード上のパーツ位置に関する情報が不足しているため、単独でされたパッケージはボード設計時に配線が困難になります。

設計費やす時間の浪費

EDAツールの入力および出力形式は、各EDA ベンダーによって異なるため、デザイナーは異なる EDA 間でデータをやり取りする際にフォーマットを変換する必要があります。しばしばフォーマット変換は情報不足により問題が発生します。例えば、多くの場合LSI 、パッケージ、プリント基板は、それぞれ使用しているピン名やネット名が異なります。デザイナーは、それらのデータを調整するために多くの時間を費やしています。

LPB 相互設計の概念

LPBの相互設計は従来の個別設計での問題を解決します。これは LPBの各コンポーネントが相互に情報交換しながら設計するスタイルです。システム設計者は最初に、仮想設計によりLPB 全体を設計することで製品の性能基準を満たすために最小限のデザインガイドラインを作成します。その後、設計者はデザインガイドラインに従って各コンポーネントを個別に設計します。個々の設計が完了した後、システム設計者は各コンポーネントを統合するためのシミュレーションで全体のパフォーマンスを確認します。

LPB 相互設計による価値創造

LPB 相互設計の効果

LPB 相互設計は、LPB コンポーネント間の信号品質とパワーインテグリティのためのシステム全体を最適に設計する方法です。この技術は1.3章で述べた問題のための解決策です。LPB相互設計は以下の効果があります。

開発コストと時間の削減

LPBの各コンポーネントを個別に最適化すると予期しない設計マージンの不足が発生することがあります。設計者はLPB のどの部分がマージンのボトルネックとなっているかを調査する必要があります。この作業は多くの時間を費やすだけでなく、設計マージンを再設定するためのリカバリ・コストも発生します。これに対しLPBの各設計者が情報を共有し、システム設計始の開始時点から協力することで、設計マージンの過不足を防ぎ開発コストと時間を削減することができます。Figure 1は従来の設計フローと LPB 相互設計のフローを比較したものです。

Figure 1 —従来の設計フロー対 LPB 相互計フロー

システムコストの削減

従来のLPBを独立して設計するスタイルではLPB各部分が過剰な設計マージンを持つ場合があります。これはシステムの過剰スペックや部品数の増大（システムコストの増加）を引き起こします。LPB 相互設計では互いに情報共有してシステム全体の適切な設計マージンを定めるためシステムコストを削減することができます。Figure 2は、従来の設計フローと LPB 相互設計の設計マージンを比較したものです。

Figure 2 — LPB 相互設計による設計マージンの制御

LPB フォーマット

LPB フォーマットはLPB協調設計を実現するために設計と検証に必要な情報を記述するための共通言語です。これにより設計情報の誤解を防ぎ設計チームを超えたアイデアの共有を可能にします。またEDA間のデータ変換を無くしEDA ツールの準備時間を短縮します。さらにサプライチェーンにおける情報流通の媒体となり業界全体の情報フローを改善します。結果、品質・コスト・納期 (QCD) が向上します。

LPB フォーマットの概要

Figure 3は、LPBフォーマットを使用してが設計情報の交換の一例を示しています。この例では、LSI 設計、パッケージ設計、ボード設計の3種類の設計者が存在します。すべての設計者は、LPB フォーマットで記載された標準ファイルを使用して設計情報を交換します。設計情報を交換するためのファイルの表記を統一することで、誤解を防ぎ、設計ツールの設定を自動化します。

Figure 3 — LPB フォーマットを使用した設計情報の交換例

CFormat

CFormatの第1の目的は、LSI、パッケージ、ソケットなどのコンポーネントの外部仕様に統一された表記法を提供することです。外側仕様は、次のように、コンポーネントを使用するために必要な情報です。

部品の物理的形状
部品に対する入力および出力する信号の名前とタイプ
ピンの物理的形状や位置、スワップ可能なピン定義などの入出力 (i/o) 仕様
遅延やスキューの上限などの設計上の制約
ピンの入力インピーダンスや消費電力などの設計仕様

表記を CFormatで統一することで、誤解なく情報を交換することができます。例えばボード設計者は複数の LSI ベンダーから提供されるLSIの仕様を理解し、この理解に基づいて基板設計ツールを設定します。もし各仕様がLSIベンダー毎に独自表記で記述されていると、この作業にヒューマンエラーが発生することがあります。ベンダー独自の表記ではなく統一された表記方法（すなわちCFormat）を使用することで、誤解による人為的ミスを防ぎ更にはEDAツールの自動設定を可能にします。Figure 4はCFomratを用いた LSI 仕様の情報フローの一例を示したものです。ボード設計者は、1つの表記のみを読み取ることで LSI 仕様を理解でき、CFormatで設計ツールを自動設定することができます。

Figure 4 — C Formatを用いた LSI 仕様の情報フロー例

CFormatを使うことで仕様変更の情報もスムーズに循環させることができます。Figure 5はボード設計者と LSI設計者による協調設計のフローの例を示しています。LSIパッケージのピン割り当てに関する情報は、LSI 設計者からボード設計者にCFormatを使って提供されます。ボード設計者が LSI パッケージのピン割り当てを変更したい場合、提供された CFormat ファイルを修正して LSI 設計者に返します。共通の表記方法であるCFormatを使用することで仕様変更に関する誤解を防ぎ、仕様変更によって起こりうるヒューマンエラーを防ぎます。

Figure 5 — CFormatを使用した相互設計フローの例

CFormatの2番目の目的はSPICEネットリスト、IBIS、S パラメータなどのシミュレーション・モデルに統一されたインターフェースを提供することです。C Formatはこれらのシミュレーション・モデル・ファイルをラップし、モデルの入出力ノードとコンポーネントの物理端子間の相互参照を提供します。シミュレーションツールはCFormatラップされたモデルファイルを入力することでモデルを自動的にプラグインできます。Figure 6はシミュレーションモデルの交換例を示したものです。モデルファイル毎にCFormatのファイルが用意されています。

Figure 6 —シミュレーションモデルを CFormatで交換する例

CFormatの3番目の目的は、複数のレイアウトデータを合成するための接続ポイントを提供することです。CFormatはGDS-II などのレイアウトデータファイルをラップし、C Formatファイル内のポートとレイアウトデータファイル内のオブジェクト間の相互参照を提供します。たとえばCFormatのファイルが GDS II ファイルをラップする場合、CFormatのポートは GDS II ファイル内の座標/レイヤーに関連付けられます。CFormat ファイルが GFormatのファイルをラップする場合、CFormatファイルのポートは GFormat ファイルのピンに関連付けられます。この機能を使用して、異なるデザインハウスによって設計された2つ以上のレイアウトデータを合成できます。このような状況はボード設計者がボードとLSIパッケージを合成して分析する場合に発生します。ボード設計者はパッケージ設計者からCFormatでラップされたパッケージレイアウトデータを受け取り、分析ツールに入力します。解析ツールはCFormatファイルで定義された相互参照を使用して接続点を検索し、ボードととパッケージのレイアウトデータを合成します。

CFormatの4番目の目的は、ボードとパッケージのフロアプランをサポートすることです。CFormat は部品の配置情報を含んでいます。この機能を使用してシステム設計者からボード設計者に対しボードのフロアプラン指示を伝えることができます。Figure 7は、システム設計者がボード設計をボード設計者に要求する際のフローを示しています。作業開始時にボード設計者はシステム設計者から提供された CFormatのファイルに基づいてボード設計ツールを設定します。フロアプランの表記を統一することで、フロアプラン情報を誤解なく交換し設計ツールを自動的に設定することが可能です。

Figure 7 —システム設計者とボード設計者の間の設計フローの例

RFormat

RFormatの第一の目的は、プリント基板とパッケージの設計ルールの表記を統一することです。RFormatでは、次の設計規則が定義されています。

パッケージとプリント基板の層スタックアップ
導電層/絶縁層の厚さ
各層に使用される材料
導電率、誘電定数、損失正接などの材料パラメータ
線幅と線のスペース
ビア間隔
ビアの形状

通常、プリント基板やパッケージのメーカーは独自の表記法を使用して設計ルールを提供しています。設計者は異なる表記で説明されている設計規則を理解し設計ツールをセットアップする必要があります。これは誤解によるヒューマンエラーのリスクを含んでいます。RFormatで表記を統一することで設計ツールの自動的設定を可能としヒューマンエラーを防ぐことができます。Figure 8はRFomratを使用して設計ルールを交換する例を示しています。すべての製造業者は統一された表記法（すなわちRFormat）を使用して設計規則を提供します。設計ツールは、RFormatを入力することで自動的に設定されます。

Figure 8 — RFormatでの設計ルールの交換例

RFormatの第2の目的は、プリント基板とパッケージの物理的な設計上の制約を定義することです。物理的な設計上の制約とは、取り付けられた部品の高さの制限とデフォルト以外の設計規則領域を意味します。

GFormat

GFormatの目的は、プリント基板やパッケージなどの層スタックアップ構造のレイアウトデータの表記を統一することです。レイアウトデータの統一表記により、解析ツールとレイアウトツール間でレイアウトデータをシームレスに交換することができます。GFormatファイルには、次のジオメトリ情報が含まれています。

プリント基板
材料の層スタックアップおよび物理パラメータ
取り付けられた部品の形状と位置
ピンの形状と位置
網の経路またはパターン
ビアの形状と位置
ボンディングワイヤーの形状

Figure 9はGFormatを使用してレイアウトデータを交換する例を示しています。分析ツールは、レイアウトツールが出力する GFormatのファイルを入力して設定できます。

Figure 9 —レイアウトデータを G Formatで交換する例

NFormat

NFormatの目的は、プリント基板とパッケージを設計するために使用されるネットリストの表記を統一することです（「ネットリスト」とははプリント基板またはパッケージに搭載された部品間の接続情報を意味します）。NFormatは Verilog-HDL (IEEE Std 1364) に準拠し、電源およびグランドを識別するためのキーワードが追加されています。ネットリストの表記を統一することで、回路設計ツールとレイアウトツール間でネットリストをシームレスに交換することが可能になります。たとえば、回路設計者がボード設計者に設計を発注する場合、回路設計者はネットリストを提供する必要があります。ネットリストが複数の表記法を使用して表現されていると部品間の接続を設計ツールに入力する際にヒューマンエラーが発生する恐れがあります。しかしネットリストに統一された表記法を使用することで、設計ツールを設定する際の人為的ミスを防ぐことができます。Figure 10にNFormatを使用した設計フローの例を示します

Figure 10 — NFormatを使用したデザインフローの例

MFormat

LPB フォーマットファイルの内容は設計の進捗状況に応じて継続的に更新されます。MFormat はLPB Formatのファイルを交換するときのエラーを防ぐために、各ファイルのバージョンを管理することを目的としています。