Cadence推出Optimality智能系統(tǒng)優(yōu)化器破譯高速信號(hào)優(yōu)化難題

在動(dòng)態(tài)系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，確保信號(hào)毫發(fā)無(wú)損地到達(dá)接收端只是冰山一角。伴隨著封裝密度的提升、更高的 PCB 走線密度和工作頻率，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性要求我們統(tǒng)籌考慮電氣、機(jī)械、電磁和熱動(dòng)力效應(yīng)。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)需要人類創(chuàng)造力與計(jì)算能力的結(jié)合，消除阻礙不同領(lǐng)域?qū)＜液献鞯募軜?gòu)孤島。為了滿足這些需求，系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化已經(jīng)成為必要條件而不是錦上添花。

傳統(tǒng)的手工方法包括構(gòu)建模型、測(cè)試、制作原型、優(yōu)化并最終加工生產(chǎn)，局限性非常明顯。這種方法極度依賴工程師的直覺(jué)進(jìn)行優(yōu)化，原型建立后，需要進(jìn)行仿真以評(píng)估與設(shè)計(jì)目標(biāo)的一致性。然而隨著電子設(shè)計(jì)不斷追求更強(qiáng)的性能，復(fù)雜性和緊湊度都在提高，僅依靠直覺(jué)已無(wú)法應(yīng)對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)帶來(lái)的挑戰(zhàn)，因此我們需要更加先進(jìn)的優(yōu)化方法來(lái)應(yīng)對(duì)日益復(fù)雜的現(xiàn)代化設(shè)計(jì)。

基于 AI 的優(yōu)化

Cadence 推出了 Optimality 智能系統(tǒng)優(yōu)化器，這是一種利用人工智能技術(shù)幫助設(shè)計(jì)師應(yīng)對(duì)現(xiàn)代設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)的新型優(yōu)化技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)提供了多學(xué)科設(shè)計(jì)分析優(yōu)化（MDAO）能力，可以執(zhí)行從 IC 到封裝再到板級(jí)的無(wú)縫系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化。將多物理場(chǎng)分析工具與 Optimality 資源優(yōu)化器集成，可確保設(shè)計(jì)滿足預(yù)期指標(biāo)。自動(dòng)化的流程大幅加速了優(yōu)化過(guò)程，從而幫助工程師和設(shè)計(jì)師更容易、更高效地實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。

Optimality Explorer 工作流程讓用戶設(shè)定輸入參數(shù)和系統(tǒng)優(yōu)化目標(biāo)，并采用多物理場(chǎng)分析工具進(jìn)行模擬。它使優(yōu)化過(guò)程自動(dòng)化并生成優(yōu)化的設(shè)計(jì)和最終曲線。用戶可以優(yōu)化回波損耗、插入損耗、串?dāng)_隔離度等參數(shù)以及眼圖、抖動(dòng)和 BER 等系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。為了保證優(yōu)化效率，設(shè)計(jì)人員必須預(yù)先考慮設(shè)計(jì)的幾何參數(shù)變量，如線寬、間距、長(zhǎng)度、疊層、焊盤(pán)尺寸、反墊片幾何形狀、鉆頭尺寸和通孔的殘樁長(zhǎng)度。創(chuàng)建模型時(shí)，還必須考慮 PVT 角、端接電阻（ODT）、抖動(dòng)均衡等參數(shù)。

Optimality Explorer 旨在幫助設(shè)計(jì)人員完成無(wú)縫的、無(wú)用戶干預(yù)的設(shè)計(jì)優(yōu)化。其算法可以讓優(yōu)化過(guò)程自動(dòng)化，確保流暢和友好的用戶體驗(yàn)。僅需不到 500 次迭代即可完成優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了比傳統(tǒng)方法更快的收斂速度，被稱為設(shè)計(jì)領(lǐng)域 AI 驅(qū)動(dòng)的多學(xué)科分析和優(yōu)化工具。

優(yōu)化時(shí)需要注意的參數(shù)和考量

例如，系統(tǒng)信道由發(fā)射器、接收器、PCB 互連、封裝和載板組成。這些組件被抽象表述為發(fā)射器-接收器的 IBIS-AMI 模型，以及收發(fā)器件之間由布線和通孔構(gòu)成的通道模型。

為了確保最佳信道性能，需考慮各種幾何變量，如線寬、間距、長(zhǎng)度、布線疊層、焊盤(pán)大小、反焊盤(pán)幾何形狀、鉆頭大小和通孔的殘樁長(zhǎng)度。創(chuàng)建模型時(shí)，還應(yīng)考慮 PVT 角、端接電阻（ODT）和抖動(dòng)均衡等參數(shù)。

優(yōu)化過(guò)程中，指定需要優(yōu)化的設(shè)計(jì)參數(shù)和預(yù)期的優(yōu)化目標(biāo)。同時(shí)，創(chuàng)建額外的替代模型對(duì)這些參數(shù)的有效優(yōu)化也極為重要。

Optimality Explorer 利用隨機(jī)搜索生成的初始數(shù)據(jù)集構(gòu)建并訓(xùn)練機(jī)器學(xué)習(xí)模型。它不斷地分析模擬參數(shù)、更新設(shè)計(jì)變量、計(jì)算目標(biāo)函數(shù)和約束條件，直到達(dá)成終止收斂的標(biāo)準(zhǔn)。

Optimality Explorer 旨在幫助設(shè)計(jì)人員簡(jiǎn)化優(yōu)化過(guò)程，特別適用于需要同時(shí)優(yōu)化多種可調(diào)參數(shù)的場(chǎng)景。它的算法可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化過(guò)程自動(dòng)化，無(wú)需用戶干預(yù)，易于使用。

與需要超過(guò) 2500 次迭代才能得到可接受結(jié)果的傳統(tǒng)方法相比，Optimality Explorer 可以用不到 500 次迭代就得到最終結(jié)果，實(shí)現(xiàn)更快的收斂速度。

利用 Optimality Explorer實(shí)現(xiàn)效率提升

在復(fù)雜的電路布局中，只使用單一的布線和通孔是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。因?yàn)槊總€(gè)組件都會(huì)影響其他組件的行為，需要構(gòu)建所有組件的組合才能設(shè)計(jì)出完整的互連模型。

兩個(gè)交叉排線平面的差分對(duì)

Optimality Explorer 可以高效、準(zhǔn)確地模擬并優(yōu)化復(fù)雜的 3D 布局，它包括可用于 PC 電腦的場(chǎng)求解器，可以處理通常被認(rèn)為極具挑戰(zhàn)性的各種場(chǎng)景。例如，它可以在差分對(duì)設(shè)計(jì)中最大化交叉排線，實(shí)現(xiàn)更好的結(jié)果。Optimality Explorer 還可以減少窮舉法掃描所需的模擬次數(shù)，更快地達(dá)到目標(biāo)。

Optimality Explorer 可以優(yōu)化布局前和布局后的設(shè)計(jì)。例如，僅需 46 次模擬就實(shí)現(xiàn)了射頻功率分配器的優(yōu)化目標(biāo)，而相比之下，窮舉掃描則需要超過(guò) 300 萬(wàn)次模擬。Optimality Explorer 也可以被用于處理多參數(shù)設(shè)計(jì)，例如僅需 71 次迭代即完成對(duì)擁有 16 個(gè)參數(shù)的微帶貼片天線的優(yōu)化。

未來(lái)視野：Optimality 平臺(tái)的擴(kuò)展

Optimality Explorer 工具的開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)目前正致力于將該平臺(tái)擴(kuò)展到熱動(dòng)力學(xué)和流體動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域，涉及到將用于熱分析的 Celsius 3D 求解器和用于流體動(dòng)力學(xué)的 CFD 相結(jié)合。此外，電氣約束將集成到現(xiàn)有的 Allegro X 設(shè)計(jì)平臺(tái)約束管理器中，為用戶提供更全面的解決方案。開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)將持續(xù)提供這些改進(jìn)的更新。

驅(qū)動(dòng)電子系統(tǒng)的多物理分析

破譯現(xiàn)代系統(tǒng)高速信號(hào)優(yōu)化難題是一項(xiàng)多維度的挑戰(zhàn)。Optimality Explorer 突破了傳統(tǒng)人工密集型優(yōu)化過(guò)程的局限性，用 AI 驅(qū)動(dòng)的技術(shù)取代了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)-測(cè)試-改進(jìn)循環(huán)的交互流程，從而生成最優(yōu)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)解決方案。Optimality Explorer 將像燈塔一樣引導(dǎo)設(shè)計(jì)人員穿過(guò)復(fù)雜迷霧，利用自動(dòng)化提高效率，走向通往綜合設(shè)計(jì)解決方案的未來(lái)之路。

審核編輯：劉清