系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域充滿變數(shù)，確保信號(hào)完好無損地到達(dá)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(xì)化以及頻率不斷飆升，這些錯(cuò)綜復(fù)雜的問題也在不斷演變，需要綜合運(yùn)用電氣、機(jī)械、電磁和熱動(dòng)力學(xué)方面的專業(yè)知識(shí)。

為了應(yīng)對(duì)日益增長的復(fù)雜性和細(xì)微差別，系統(tǒng)需要達(dá)到最佳性能。而要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，設(shè)計(jì)人員在發(fā)揮聰明才智的同時(shí)，還要借助機(jī)器的計(jì)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，阻礙了專家之間的有效合作。要滿足這些激增的需求，系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化已不再是一種“奢侈選項(xiàng)”，而是“必不可少”。

手動(dòng)工作流程包括構(gòu)建、測(cè)試、原型驗(yàn)證、改進(jìn)和最終制造，這給設(shè)計(jì)優(yōu)化造成了很大的阻礙。目前的設(shè)計(jì)優(yōu)化方法在很大程度上依賴于設(shè)計(jì)人員的直覺，他們通過創(chuàng)建原型和運(yùn)行仿真來評(píng)估設(shè)計(jì)是否符合目標(biāo)。然而，如今的電子設(shè)計(jì)開始追求更強(qiáng)的性能、更高的復(fù)雜性和更緊湊的外形，單憑人類的直覺已經(jīng)難以應(yīng)對(duì)優(yōu)化挑戰(zhàn)。我們需要先進(jìn)的優(yōu)化方法來實(shí)現(xiàn)日益復(fù)雜的現(xiàn)代設(shè)計(jì)。

基于 AI 的優(yōu)化

Cadence 推出了 Optimality Intelligent System Explorer，這是一項(xiàng)全新的優(yōu)化技術(shù)，利用 AI 幫助設(shè)計(jì)人員應(yīng)對(duì)現(xiàn)代設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。該技術(shù)具有多學(xué)科設(shè)計(jì)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(jí)優(yōu)化。將多物理場(chǎng)分析工具與 Optimality Explorer 集成，確保了預(yù)期結(jié)果萬無一失。自動(dòng)化大大加快了優(yōu)化過程，工程師和設(shè)計(jì)師可以更輕松、更高效地實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。

Optimality Explorer 工作流程可指定輸入?yún)?shù)，優(yōu)化系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，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)化過程，生成優(yōu)化設(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)_隔離等參數(shù)以及眼圖、抖動(dòng)和比特誤碼率 (BER) 等系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。

為實(shí)現(xiàn)有效優(yōu)化，設(shè)計(jì)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(shí)，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(dòng)均衡等參數(shù)。

Optimality Explorer 旨在幫助設(shè)計(jì)人員進(jìn)行無縫的設(shè)計(jì)優(yōu)化，無需用戶干預(yù)。其算法實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化過程的自動(dòng)化，可提供流暢、便捷的用戶體驗(yàn)。與傳統(tǒng)方法相比，它能在不到 500 次的迭代中實(shí)現(xiàn)顯著優(yōu)化，加快設(shè)計(jì)收斂。Optimality Explorer 被稱為 AI 驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)同步多學(xué)科分析與優(yōu)化工具。

Optimality Explorer 可高效、準(zhǔn)確地仿真和優(yōu)化復(fù)雜的 3D layout，處理傳統(tǒng)上被認(rèn)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(chǎng)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(xiàng)

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(shí)還應(yīng)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(dòng)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(jì)參數(shù)和想達(dá)到的優(yōu)化目標(biāo)。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(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。它會(huì)不斷分析仿真結(jié)果，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)到停止標(biāo)準(zhǔn)和收斂為止。

Optimality Explorer 旨在簡化設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)了優(yōu)化過程的自動(dòng)化，無需用戶干預(yù)，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(dāng)?shù)慕Y(jié)果，與之相比，Optimality Explorer 只需不到 500 次的迭代就能實(shí)現(xiàn)顯著優(yōu)化，可加快設(shè)計(jì)收斂。

利用 Optimality Explorer 提高效率

在復(fù)雜的電路 layout 中，僅使用單獨(dú)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(jì)，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(duì)

Optimality Explorer 可高效、準(zhǔn)確地仿真和優(yōu)化復(fù)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(chǎng)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(duì)設(shè)計(jì)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(dá)到目標(biāo)。

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

展望未來：擴(kuò)展 Optimality 平臺(tái)

Optimality Explorer 工具背后的團(tuán)隊(duì)目前正在努力擴(kuò)展該平臺(tái)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(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(tuán)隊(duì)將不斷報(bào)告這些功能改進(jìn)的最新進(jìn)展。

推動(dòng)電子系統(tǒng)的多物理場(chǎng)分析

解決現(xiàn)代系統(tǒng)中的高速信號(hào)優(yōu)化問題是一項(xiàng)涉及多個(gè)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(dòng)技術(shù)取代了“設(shè)計(jì)-測(cè)試-改進(jìn)”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(jì)解決方案。Optimality Explorer 是電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域的燈塔，指引設(shè)計(jì)人員自信穿梭于錯(cuò)綜復(fù)雜的環(huán)境，在提供自動(dòng)化技術(shù)的同時(shí)提高設(shè)計(jì)效率，為未來的綜合設(shè)計(jì)解決方案鋪平道路。