【導讀】系統設計領(lǐng)域充滿(mǎn)變數，確保信號完好無(wú)損地到達目的地還只是冰山一角。隨著(zhù)封裝密度不斷提高、PCB 線(xiàn)路不斷細化以及頻率不斷飆升，這些錯綜復雜的問(wèn)題也在不斷演變，需要綜合運用電氣、機械、電磁和熱動(dòng)力學(xué)方面的專(zhuān)業(yè)知識。
系統設計領(lǐng)域充滿(mǎn)變數，確保信號完好無(wú)損地到達目的地還只是冰山一角。隨著(zhù)封裝密度不斷提高、PCB 線(xiàn)路不斷細化以及頻率不斷飆升，這些錯綜復雜的問(wèn)題也在不斷演變，需要綜合運用電氣、機械、電磁和熱動(dòng)力學(xué)方面的專(zhuān)業(yè)知識。
為了應對日益增長(cháng)的復雜性和細微差別，系統需要達到最佳性能。而要實(shí)現這一目標，設計人員在發(fā)揮聰明才智的同時(shí)，還要借助機器的計算能力。遺憾的是，不同學(xué)科猶如一個(gè)個(gè)孤島彼此分離，阻礙了專(zhuān)家之間的有效合作。要滿(mǎn)足這些激增的需求，系統級優(yōu)化已不再是一種“奢侈選項”，而是“必不可少”。
手動(dòng)工作流程包括構建、測試、原型驗證、改進(jìn)和最終制造，這給設計優(yōu)化造成了很大的阻礙。目前的設計優(yōu)化方法在很大程度上依賴(lài)于設計人員的直覺(jué)，他們通過(guò)創(chuàng )建原型和運行仿真來(lái)評估設計是否符合目標。然而，如今的電子設計開(kāi)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(lèi)的直覺(jué)已經(jīng)難以應對優(yōu)化挑戰。我們需要先進(jìn)的優(yōu)化方法來(lái)實(shí)現日益復雜的現代設計。
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 幫助設計人員應對現代設計挑戰。該技術(shù)具有多學(xué)科設計分析優(yōu)化 (MDAO) 功能，可無(wú)縫執行從集成電路到封裝，乃至電路板的系統級優(yōu)化。將多物理場(chǎng)分析工具與 Optimality Explorer 集成，確保了預期結果萬(wàn)無(wú)一失。自動(dòng)化大大加快了優(yōu)化過(guò)程，工程師和設計師可以更輕松、更高效地實(shí)現目標。
Optimality Explorer 工作流程可指定輸入參數，優(yōu)化系統標準，并使用多物理場(chǎng)分析工具進(jìn)行仿真。它能自動(dòng)完成優(yōu)化過(guò)程，生成優(yōu)化設計和最終曲線(xiàn)。用戶(hù)可以?xún)?yōu)化回波損耗、插入損耗、串擾隔離等參數以及眼圖、抖動(dòng)和比特誤碼率 (BER) 等系統標準。
為實(shí)現有效優(yōu)化，設計人員必須考慮線(xiàn)寬、間距、線(xiàn)長(cháng)、走線(xiàn)堆疊、焊盤(pán)尺寸、隔離焊盤(pán)幾何形狀、鉆孔尺寸和過(guò)孔 stub 長(cháng)度等幾何變量。在創(chuàng )建模型時(shí)，還必須考慮制程 (Process)、電壓 (Voltage) 和溫度 (Temperature) 組合，片內端接 (on-die termination, ODT)，抖動(dòng)均衡等參數。
Optimality Explorer 旨在幫助設計人員進(jìn)行無(wú)縫的設計優(yōu)化，無(wú)需用戶(hù)干預。其算法實(shí)現了優(yōu)化過(guò)程的自動(dòng)化，可提供流暢、便捷的用戶(hù)體驗。與傳統方法相比，它能在不到 500 次的迭代中實(shí)現顯著(zhù)優(yōu)化，加快設計收斂。Optimality Explorer 被稱(chēng)為 AI 驅動(dòng)的設計同步多學(xué)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，處理傳統上被認為具有挑戰性的優(yōu)化方案。該工具中包含用于 PC 封裝互連的場(chǎng)求解器，可處理各種通常被視為具有挑戰性的優(yōu)化方案，如最大化交叉網(wǎng)格覆銅。
優(yōu)化參數和注意事項
例如，在系統通信信道中，有發(fā)射器、接收器、PCB 互連、封裝和中介層。這些器件經(jīng)過(guò)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(xiàn)和過(guò)孔。
為確保最佳信道性能，必須考慮各種幾何變量，如線(xiàn)寬、間距、線(xiàn)長(cháng)、走線(xiàn)堆疊、焊盤(pán)尺寸、隔離焊盤(pán)幾何形狀、鉆孔尺寸和過(guò)孔 stub 長(cháng)度。創(chuàng )建模型時(shí)還應考慮 制程 (Process)、電壓 (Voltage) 和溫度 (Temperature) 組，片內端接 (on-die termination, ODT) 和抖動(dòng)均衡等參數。
在優(yōu)化過(guò)程中，必須指定需要優(yōu)化的設計參數和想達到的優(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。
Optimality Explorer 基于隨機搜索生成的初始數據集，構建并訓練機器學(xué)習模型。它會(huì )不斷分析仿真結果，更新設計變量，計算目標函數和約束條件，直到達到停止標準和收斂為止。
Optimality Explorer 旨在簡(jiǎn)化設計人員的優(yōu)化過(guò)程，尤其是在需要考慮許多可調參數的情況下。其算法實(shí)現了優(yōu)化過(guò)程的自動(dòng)化，無(wú)需用戶(hù)干預，并且易于使用。
傳統方法需要 2500 次以上的迭代才能獲得相當的結果，與之相比，Optimality Explorer 只需不到 500 次的迭代就能實(shí)現顯著(zhù)優(yōu)化，可加快設計收斂。
利用 Optimality Explorer 提高效率
在復雜的電路 layout 中，僅使用單獨的走線(xiàn)和過(guò)孔是不夠的。需要將這些器件組合起來(lái)，創(chuàng )建互連設計，其中每個(gè)器件都會(huì )影響到其他器件的行為。
兩個(gè)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，處理傳統上難以?xún)?yōu)化的方案。該工具中包含用于 PC 封裝互連的場(chǎng)求解器，可處理各種通常被視為具有挑戰性的優(yōu)化方案。例如，它可以最大限度地優(yōu)化差分對設計中的交叉網(wǎng)格覆銅圖案，從而獲得更好的結果。Optimality Explorer 還能減少詳盡掃描所需的仿真次數，更快地達到目標。
Optimality Explorer 可以?xún)?yōu)化布局前和布局后設計。例如，Optimality Explorer 對 RF 功率分配器進(jìn)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(wàn)次仿真。Optimality Explorer 的多功能性還可擴展到處理具有許多參數的設計，例如，優(yōu)化具有 16 個(gè)參數的微帶貼片天線(xiàn)只需 71 次迭代。
展望未來(lái)：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(xué)和流體動(dòng)力學(xué)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(dòng)力學(xué)領(lǐng)域。此外，電氣約束將被集成到 Allegro X Design Platform 現有的約束管理器中，為用戶(hù)提供更全面的解決方案。開(kāi)發(fā)團隊將不斷報告這些功能改進(jìn)的最新進(jìn)展。
推動(dòng)電子系統的多物理場(chǎng)分析
解決現代系統中的高速信號優(yōu)化問(wèn)題是一項涉及多個(gè)維度的挑戰。Optimality Explorer 突破了傳統上極為消耗人力的優(yōu)化流程的限制，以 AI 驅動(dòng)技術(shù)取代了“設計-測試-改進(jìn)”循環(huán)的傳統交互流程，提供了一套更好的系統設計解決方案。Optimality Explorer 是電子設計領(lǐng)域的燈塔，指引設計人員自信穿梭于錯綜復雜的環(huán)境，在提供自動(dòng)化技術(shù)的同時(shí)提高設計效率，為未來(lái)的綜合設計解決方案鋪平道路。
文章來(lái)源：Cadence楷登PCB及封裝資源中
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