Barry Olney

任澳大利亞In-Circuit Design Pty Ltd (iCD)公司執(zhí)行董事。該公司深耕PCB設(shè)計(jì)服務(wù)領(lǐng)域，專門(mén)研究電路板級(jí)仿真技術(shù)。其開(kāi)發(fā)的iCD Design Integrity 軟件整合了 iCD Stackup、PDN和CPW Planner。

傳統(tǒng)的PCB設(shè)計(jì)過(guò)程往往既耗時(shí)又耗力。布線復(fù)雜的PCB布局可能會(huì)占用設(shè)計(jì)師高達(dá)30%的時(shí)間，解決這個(gè)問(wèn)題并不簡(jiǎn)單。我們都遇到過(guò)這種情況：花了幾個(gè)小時(shí)設(shè)置制約條件，最后按下“開(kāi)始”按鈕，卻只會(huì)驚訝地看到缺乏視覺(jué)吸引力且有明顯缺陷的設(shè)計(jì)結(jié)果。

歷史表明，PCB設(shè)計(jì)師普遍持懷疑態(tài)度，許多設(shè)計(jì)師更喜歡交互式布線——設(shè)置過(guò)程通常比手動(dòng)布線設(shè)計(jì)需要更長(zhǎng)的時(shí)間。然而，現(xiàn)代自動(dòng)布線器實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化和交互式控制的結(jié)合，允許用戶在選擇時(shí)與系統(tǒng)互動(dòng)，從而可在獨(dú)立性與用戶干預(yù)之間取得平衡。但是，許多設(shè)計(jì)師未充分利用其布線器的全部功能。

過(guò)去30年，PCB布線器取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，從基本的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接器發(fā)展到復(fù)雜的布線系統(tǒng)。然而，仍存在很大的提升空間。本文將深入探討人工智能技術(shù)的最新進(jìn)展，重點(diǎn)關(guān)注其對(duì)布線技術(shù)的影響。

現(xiàn)代自動(dòng)布線器采用布爾算法，在很大程度上依賴于配置和設(shè)置，這意味著它們的有效性與配置它們的人的技能直接相關(guān)。幸運(yùn)的是，這種配置可以保存并應(yīng)用于未來(lái)的設(shè)計(jì)，節(jié)省了一些時(shí)間。多年來(lái)，PCB布線器經(jīng)歷了許多不同的發(fā)展階段，從難以學(xué)習(xí)、使用和交互的第三方應(yīng)用程序，到有結(jié)合力的、基于云的布局/布線器環(huán)境。IC和PCB布線應(yīng)用程序使用了許多相同的算法，其中基于形狀、推擠和自動(dòng)撤銷且重試功能是最有效的。

然而，隨著強(qiáng)化機(jī)器學(xué)習(xí)的出現(xiàn)，可以在廣泛的專業(yè)PCB布局庫(kù)上培訓(xùn)人工智能，從而繞過(guò)傳統(tǒng)的設(shè)置過(guò)程。這使得人工智能能夠利用其培訓(xùn)來(lái)生產(chǎn)高質(zhì)量的產(chǎn)品，有效地重新利用以前設(shè)計(jì)中的約束條件和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

PCB設(shè)計(jì)師通常會(huì)在手動(dòng)任務(wù)上投入相當(dāng)多的時(shí)間，如元器件放置和信號(hào)布線。然而，隨著生成式人工智能的出現(xiàn)，這些過(guò)程可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，從而在早期階段實(shí)現(xiàn)更快的迭代和更大的設(shè)計(jì)探索。例如，Allegro X人工智能聲稱遵守與導(dǎo)線長(zhǎng)度、信號(hào)完整性和電源分配相關(guān)的約束條件。然而，考慮到傳播延遲是一個(gè)比長(zhǎng)度本身更關(guān)鍵的問(wèn)題，人們可能會(huì)質(zhì)疑分析導(dǎo)線長(zhǎng)度的必要性。

該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)的元器件放置和布線的自動(dòng)化，確保減少布線所需時(shí)間的同時(shí)，保持信號(hào)完整性。鋪銅過(guò)程也是自動(dòng)化的，便于創(chuàng)建接地和電源平面，過(guò)去這是一項(xiàng)耗時(shí)的任務(wù)。幾十年來(lái)，Cadence一直在開(kāi)發(fā)用于IC合成的放置及布線（Place-and-Route，簡(jiǎn)稱P&R）工具，現(xiàn)在已經(jīng)將該技術(shù)應(yīng)用于PCB P&R。更短的互連和減少的交叉對(duì)芯片和PCB布局都至關(guān)重要，但關(guān)鍵的布線，包括信號(hào)完整性和飛行時(shí)間要求，對(duì)PCB來(lái)說(shuō)更為重要。

Zuken還引入了被稱為智能放置及布線（Intelligent Place and Route，AIPR）的人工智能技術(shù)，該技術(shù)通過(guò)三個(gè)階段的推出增強(qiáng)了CR-8000平臺(tái)。初始階段稱為Basic Brain，通過(guò)使用智能自動(dòng)布線器基于學(xué)習(xí)方法及策略優(yōu)化設(shè)計(jì)布線，顯著改善了用戶體驗(yàn)。第二階段，Zuken的Dynamic Brain將利用新開(kāi)發(fā)的PCB設(shè)計(jì)的見(jiàn)解，將歷史設(shè)計(jì)案例納入其AI算法中。這種客戶最佳實(shí)踐和人工智能驅(qū)動(dòng)見(jiàn)解的融合有望在CR-8000框架內(nèi)加速設(shè)計(jì)迭代并大幅提高整體生產(chǎn)力。最后階段，即Autonomous Brain，將具備在每個(gè)項(xiàng)目中自我改進(jìn)的能力，開(kāi)創(chuàng)人工智能驅(qū)動(dòng)創(chuàng)新的新時(shí)代。

西門(mén)子在引入過(guò)程預(yù)測(cè)（Process Prediction）方面取得了重大進(jìn)展，這是其現(xiàn)代用戶體驗(yàn)解決方案的關(guān)鍵組成部分。這一創(chuàng)新功能已集成到Xpedition PCB、Constraints Manager和HyperLynx Analysis工具中。當(dāng)用戶設(shè)計(jì)其產(chǎn)品時(shí)，會(huì)實(shí)時(shí)不斷地培訓(xùn)預(yù)測(cè)模型，使其能夠做出即時(shí)預(yù)測(cè)。對(duì)于每個(gè)新命令，模型都會(huì)學(xué)習(xí)特定用戶的序列，以適應(yīng)他們的特有行為。它可以容納多個(gè)學(xué)習(xí)子過(guò)程，并在這些路徑之間無(wú)縫切換（圖1）。

圖1：在進(jìn)程之間切換路徑（來(lái)源：Siemens EDA）

該過(guò)程從Xpedition PCB開(kāi)始，在那里創(chuàng)建布局，然后建立約束條件，包括疊層定義和設(shè)計(jì)規(guī)則。隨后，它將返回布局進(jìn)行編輯。在布線布局時(shí)，關(guān)鍵約束條件被輸入HyperLynx進(jìn)行信號(hào)完整性分析，以確保質(zhì)量。此過(guò)程采用DDR批處理向?qū)нM(jìn)行時(shí)序仿真。如果發(fā)生故障，將重新審核布局以進(jìn)行微調(diào)。這個(gè)循環(huán)一直持續(xù)到滿足所有要求，完成從開(kāi)始到結(jié)束的整個(gè)設(shè)計(jì)流程（圖2）。

圖2

目標(biāo)人群包括沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)師，他們可以利用預(yù)先培訓(xùn)的種子模型。中等水平設(shè)計(jì)師可以選擇培訓(xùn)自己的模型或利用經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計(jì)師創(chuàng)建的模型來(lái)提高流程效率。此外，專家級(jí)設(shè)計(jì)師可以通過(guò)這些種子模型傳授他們對(duì)復(fù)雜工作流程和標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)過(guò)程的知識(shí)。

在低端市場(chǎng)，我們發(fā)現(xiàn)了新興平臺(tái)，如DeepPCB和Flux Copilot。DeepPCB是端到端、完全自動(dòng)化的按需付費(fèi)PCB人工智能工具。DeepPCB支持所有與Specctra兼容的PCB EDA工具，包括OrCAD、Allegro、PADS、Zuken CR-3000/CR-5000、Altium、EAGLE、KiCAD、EasyEDA等。為了獲得DeepPCB的最佳效果，需要手動(dòng)布線敏感部件和不受支持的網(wǎng)，然后讓DeepPCB在保護(hù)現(xiàn)有布線的同時(shí)處理其余部分。DeepPCB的標(biāo)準(zhǔn)版本使用戶能夠設(shè)計(jì)多達(dá)8層和1200個(gè)連接的布局，完成一個(gè)設(shè)計(jì)只需要幾個(gè)小時(shí)。這可能適用于KICAD和Eagle用戶，但似乎代表了技術(shù)的倒退，因?yàn)樽詣?dòng)布線非關(guān)鍵網(wǎng)的能力已經(jīng)存在了幾十年，且已能夠在幾秒鐘內(nèi)完成。

Flux Copilot是AI PCB設(shè)計(jì)領(lǐng)域的另一個(gè)入門(mén)級(jí)工具，適合設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單微控制器項(xiàng)目的業(yè)余愛(ài)好者。它可以幫助選擇元器件，在遇到困難時(shí)進(jìn)行調(diào)試，并為用戶提供建議和創(chuàng)建原理圖連接。Flux Copilot是KiCAD和EasyEDA的直接競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。此外，KiCAD Guider為KiCAD提供人工智能驅(qū)動(dòng)支持，提供設(shè)計(jì)建議并可檢測(cè)錯(cuò)誤，以增強(qiáng)設(shè)計(jì)師的體驗(yàn)。

PCB設(shè)計(jì)已經(jīng)從手動(dòng)布線發(fā)展到高度先進(jìn)的人工智能驅(qū)動(dòng)自動(dòng)布線解決方案，大大減少了設(shè)計(jì)過(guò)程所需的時(shí)間和人工。雖然過(guò)去的布線器在很大程度上依賴于設(shè)置和用戶專業(yè)知識(shí)，但基于人工智能的現(xiàn)代工具利用機(jī)器學(xué)習(xí)來(lái)簡(jiǎn)化和優(yōu)化布線，同時(shí)仍可保持信號(hào)完整性。

隨著人工智能集成的發(fā)展，PCB設(shè)計(jì)師將有更多機(jī)會(huì)加強(qiáng)工作流程，減少重復(fù)性任務(wù)，專注于創(chuàng)新，最終將PCB設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變?yōu)楦庇^、更智能及無(wú)縫的體驗(yàn)。

要點(diǎn)

?歷史表明，PCB設(shè)計(jì)師普遍持懷疑態(tài)度，其中許多人更喜歡交互式布線。

?現(xiàn)代自動(dòng)布線器采用Boolean算法，在很大程度上依賴于配置和設(shè)置。這意味著它們的

有效性與配置它們的人的技能直接相關(guān)。

?隨著強(qiáng)化機(jī)器學(xué)習(xí)的出現(xiàn)，可以在廣泛的專業(yè)PCB布局庫(kù)上培訓(xùn)人工智能，從而避開(kāi)傳

統(tǒng)的設(shè)置過(guò)程。

?Allegro X AI遵守與導(dǎo)線長(zhǎng)度、信號(hào)完整性和電源分布相關(guān)的約束條件。

?Zuken還引入了被稱為自主智能放置及布線（Autonomous Intelligent Place and Route，簡(jiǎn)稱AIPR）的人工智能技術(shù)。

?西門(mén)子在引入過(guò)程預(yù)測(cè)（Process Prediction）方面取得了重大進(jìn)展，過(guò)程預(yù)測(cè)是其現(xiàn)代用戶體驗(yàn)解決方案（Modern UX Solution）的主要組成部分。