利用基于 AI 的優(yōu)化技術(shù)讓高速信號問題迎刃而解

系統(tǒng)設(shè)計領(lǐng)域充滿變數(shù)，確保信號完好無損地到達目的地還只是冰山一角。隨著封裝密度不斷提高、PCB 線路不斷細化以及頻率不斷飆升，這些錯綜復雜的問題也在不斷演變，需要綜合運用電氣、機械、電磁和熱動力學方面的專業(yè)知識。

為了應對日益增長的復雜性和細微差別，系統(tǒng)需要達到最佳性能。而要實現(xiàn)這一目標，設(shè)計人員在發(fā)揮聰明才智的同時，還要借助機器的計算能力。遺憾的是，不同學科猶如一個個孤島彼此分離，阻礙了專家之間的有效合作。要滿足這些激增的需求，系統(tǒng)級優(yōu)化已不再是一種“奢侈選項”，而是“必不可少”。

手動工作流程包括構(gòu)建、測試、原型驗證、改進和最終制造，這給設(shè)計優(yōu)化造成了很大的阻礙。目前的設(shè)計優(yōu)化方法在很大程度上依賴于設(shè)計人員的直覺，他們通過創(chuàng)建原型和運行仿真來評估設(shè)計是否符合目標。然而，如今的電子設(shè)計開始追求更強的性能、更高的復雜性和更緊湊的外形，單憑人類的直覺已經(jīng)難以應對優(yōu)化挑戰(zhàn)。我們需要先進的優(yōu)化方法來實現(xiàn)日益復雜的現(xiàn)代設(shè)計。

基于 AI 的優(yōu)化

Cadence 推出了 Optimality Intelligent System Explorer，這是一項全新的優(yōu)化技術(shù)，利用 AI 幫助設(shè)計人員應對現(xiàn)代設(shè)計挑戰(zhàn)。該技術(shù)具有多學科設(shè)計分析優(yōu)化 (MDAO) 功能，可無縫執(zhí)行從集成電路到封裝，乃至電路板的系統(tǒng)級優(yōu)化。將多物理場分析工具與 Optimality Explorer 集成，確保了預期結(jié)果萬無一失。自動化大大加快了優(yōu)化過程，工程師和設(shè)計師可以更輕松、更高效地實現(xiàn)目標。

Optimality Explorer 工作流程可指定輸入參數(shù)，優(yōu)化系統(tǒng)標準，并使用多物理場分析工具進行仿真。它能自動完成優(yōu)化過程，生成優(yōu)化設(shè)計和最終曲線。用戶可以優(yōu)化回波損耗、插入損耗、串擾隔離等參數(shù)以及眼圖、抖動和比特誤碼率 (BER) 等系統(tǒng)標準。

為實現(xiàn)有效優(yōu)化，設(shè)計人員必須考慮線寬、間距、線長、走線堆疊、焊盤尺寸、隔離焊盤幾何形狀、鉆孔尺寸和過孔 stub 長度等幾何變量。在創(chuàng)建模型時，還必須考慮制程 (Process)、電壓 (Voltage) 和溫度 (Temperature) 組合，片內(nèi)端接 (on-die termination, ODT)，抖動均衡等參數(shù)。

Optimality Explorer 旨在幫助設(shè)計人員進行無縫的設(shè)計優(yōu)化，無需用戶干預。其算法實現(xiàn)了優(yōu)化過程的自動化，可提供流暢、便捷的用戶體驗。與傳統(tǒng)方法相比，它能在不到 500 次的迭代中實現(xiàn)顯著優(yōu)化，加快設(shè)計收斂。Optimality Explorer 被稱為 AI 驅(qū)動的設(shè)計同步多學科分析與優(yōu)化工具。

Optimality Explorer 可高效、準確地仿真和優(yōu)化復雜的 3D layout，處理傳統(tǒng)上被認為具有挑戰(zhàn)性的優(yōu)化方案。該工具中包含用于 PC 封裝互連的場求解器，可處理各種通常被視為具有挑戰(zhàn)性的優(yōu)化方案，如最大化交叉網(wǎng)格覆銅。

優(yōu)化參數(shù)和注意事項

例如，在系統(tǒng)通信信道中，有發(fā)射器、接收器、PCB 互連、封裝和中介層。這些器件經(jīng)過抽象化，用作發(fā)射器-接收器的 IBIS-AMI 模型，發(fā)射器-接收器之間是走線和過孔。

為確保最佳信道性能，必須考慮各種幾何變量，如線寬、間距、線長、走線堆疊、焊盤尺寸、隔離焊盤幾何形狀、鉆孔尺寸和過孔 stub 長度。創(chuàng)建模型時還應考慮 制程 (Process)、電壓 (Voltage) 和溫度 (Temperature) 組，片內(nèi)端接 (on-die termination, ODT) 和抖動均衡等參數(shù)。

在優(yōu)化過程中，必須指定需要優(yōu)化的設(shè)計參數(shù)和想達到的優(yōu)化目標。此外，還必須創(chuàng)建額外的代理模型 (surrogate model)，以有效優(yōu)化這些參數(shù)。

Optimality Explorer 基于隨機搜索生成的初始數(shù)據(jù)集，構(gòu)建并訓練機器學習模型。它會不斷分析仿真結(jié)果，更新設(shè)計變量，計算目標函數(shù)和約束條件，直到達到停止標準和收斂為止。

Optimality Explorer 旨在簡化設(shè)計人員的優(yōu)化過程，尤其是在需要考慮許多可調(diào)參數(shù)的情況下。其算法實現(xiàn)了優(yōu)化過程的自動化，無需用戶干預，并且易于使用。

傳統(tǒng)方法需要 2500 次以上的迭代才能獲得相當?shù)慕Y(jié)果，與之相比，Optimality Explorer 只需不到 500 次的迭代就能實現(xiàn)顯著優(yōu)化，可加快設(shè)計收斂。

利用 Optimality Explorer 提高效率

在復雜的電路 layout 中，僅使用單獨的走線和過孔是不夠的。需要將這些器件組合起來，創(chuàng)建互連設(shè)計，其中每個器件都會影響到其他器件的行為。

兩個交叉網(wǎng)格覆銅平面之間的差分對

Optimality Explorer 可高效、準確地仿真和優(yōu)化復雜的 3D layout，處理傳統(tǒng)上難以優(yōu)化的方案。該工具中包含用于 PC 封裝互連的場求解器，可處理各種通常被視為具有挑戰(zhàn)性的優(yōu)化方案。例如，它可以最大限度地優(yōu)化差分對設(shè)計中的交叉網(wǎng)格覆銅圖案，從而獲得更好的結(jié)果。Optimality Explorer 還能減少詳盡掃描所需的仿真次數(shù)，更快地達到目標。

Optimality Explorer 可以優(yōu)化布局前和布局后設(shè)計。例如，Optimality Explorer 對 RF 功率分配器進行優(yōu)化，僅用 46 次仿真就達到了目標，而窮舉法則需要 300 多萬次仿真。Optimality Explorer 的多功能性還可擴展到處理具有許多參數(shù)的設(shè)計，例如，優(yōu)化具有 16 個參數(shù)的微帶貼片天線只需 71 次迭代。

展望未來：擴展 Optimality 平臺

Optimality Explorer 工具背后的團隊目前正在努力擴展該平臺的適用范圍，使之可以涵蓋熱學和流體動力學領(lǐng)域。這包括集成 Celsius 3D Solver 用于熱分析，集成 CFD 工具用于流體動力學領(lǐng)域。此外，電氣約束將被集成到 Allegro X Design Platform 現(xiàn)有的約束管理器中，為用戶提供更全面的解決方案。開發(fā)團隊將不斷報告這些功能改進的最新進展。

推動電子系統(tǒng)的多物理場分析

解決現(xiàn)代系統(tǒng)中的高速信號優(yōu)化問題是一項涉及多個維度的挑戰(zhàn)。Optimality Explorer 突破了傳統(tǒng)上極為消耗人力的優(yōu)化流程的限制，以 AI 驅(qū)動技術(shù)取代了“設(shè)計-測試-改進”循環(huán)的傳統(tǒng)交互流程，提供了一套更好的系統(tǒng)設(shè)計解決方案。Optimality Explorer 是電子設(shè)計領(lǐng)域的燈塔，指引設(shè)計人員自信穿梭于錯綜復雜的環(huán)境，在提供自動化技術(shù)的同時提高設(shè)計效率，為未來的綜合設(shè)計解決方案鋪平道路。