近日，法動科技聯合杭州電子科技大學陳世昌教授科研團隊，成功開發出基于人工智能技術的版圖級優化設計流程，有效改善高頻電路版圖設計自動化程度低的現狀，提升功率放大器性能和設計效率。

1背景

功率放大器(功放)是無線通信和雷達系統的核心部件，其性能直接決定了收發機的線性度、能效水平與可靠性。典型的射頻功放設計流程包括拓撲架構確定、晶體管/偏置選擇、原理圖設計、S參數與諧波平衡仿真、版圖設計、電場磁仿真校驗、物理驗證(LVS&DRC)直至最終簽發。當前，能支持上述完整設計流程的EDA工具平臺主要有Keysight ADS, Cadence Virtuoso等。

近年來，支持寬頻帶工作的功放在多功能雷達、電子對抗、微波毫米波通信等領域逐漸普及。寬帶功放需要系統考慮輸出功率、漏極效率、線性度、帶內增益波動等多個技術指標。在設計端，設計師的關注點逐漸從單目標優化向多目標優化方向發展，各類優化算法開始應用到多目標協同的綜合性能評價方法中。

與此同時，隨著5G、毫米波、太赫茲等應用的普及深化，射頻功率放大器工作頻率逐漸提升，寄生耦合效應顯著，因此，能有效提取電路版圖中各種寄生效應的電磁場仿真重要性愈加突出。但是，目前常用的EDA軟件只支持原理圖層級的優計，算法尋優結束后仍然需要在電磁場仿真器引導下進行費力耗時的版圖調試。版圖自動化程度的低下，深度制約了整體設計效率的提升。

2版圖級優化方法

在本設計案例中，我們通過協同多個EDA工具，成功突破傳統設計無法直接進行版圖級優化的技術難題。

具體流程總結如下：

01基于Python語言定義出功放輸入輸出的匹配結構的版圖拓撲結構，每個無源器件(傳輸線、電容、電感等)參數皆設為變量。

02將賦好初值的無源結構和基板疊層文件讀入到法動科技自主研發的三維全波電磁場仿真器UltraEM中執行電磁仿真。

03電磁仿真結果(S/Y/Z參數)自動傳遞到電路仿真器中執行場-路聯合仿真，輸出結果提供給人工智能引擎。

04人工智能算法引擎根據優化目標判定輸出結果，并更新拓撲結構參數值。

05重復執行步驟二至四，直至優化目標達成或者循環結束退出程序。

整個優化過程如下圖一所示，全部算法代碼和軟件控制通過Matlab程序自動執行，全程無需人工干預。另外，為有效規避經典優化算法容易遭遇的局部最優陷阱，我們創新性采用高斯過程回歸輔助預測的非支配排序遺傳算法，不僅有效減少了運算次數來提高優化速度，同時排除傳統算法缺陷，大幅增強了所提優化流程的通用性。

圖1. 無需人工干預的版圖級優化設計流程

基于上述方案，我們仿真設計了一款頻率范圍覆蓋2~3 GHz的寬帶功放?；诮浀涞腤olfspeed 10W GaN HEMT器件，實現全頻段輸出功率大于41.5 dBm，功率附加效率大于60%。

圖2. (a)自動優化的放大器版圖結構;(b)仿真的輸出功率和效率曲線

后續，法動科技將進一步研發設計規則(DesignRule)約束下的版圖優化程序，進一步賦能RFIC和MMIC設計。

芯片級電磁仿真設計專家：UltraEM

UltraEM：芯片級的電磁仿真設計專家，采用領先的三維全波電磁仿真技術，用于分析高速和射頻/微波集成電路版圖的電磁場效應。UltraEM基于多層快速多極子(MLFMM)算法，大大降低計算復雜度。同時，由于計算復雜度近似線性，對內存的需求大大降低，計算容量更大，能夠仿真更大規模的集成電路，支持高達百萬剖分單元的結構，特別適合于剖分單元眾多的復雜電磁結構的仿真設計。

此外，UltraEM與業界領先的模擬芯片設計環境進行無縫整合。UltraEM能夠用于創建參數化器件模型，支持芯片-封裝‐PCB自適應精度聯合仿真，并且可以和第三方工具中的原理圖仿真結合，實現電磁場和電路的協同仿真，為廣大的設計人員提供高精度電磁分析服務。

法動科技：

成立于2017年。作為擁有硅谷及斯坦福創新基因的國際一流團隊，我們專業提供射頻微波電子設計自動化(EDA)軟件，憑借自主研發的大容量、快速三維全波電磁仿真引擎和基于人工智能技術的高效系統級仿真引擎，能夠在射頻微波芯片、封裝、高速PCB等領域為用戶提供快速準確的電磁仿真、建模及優化設計方案。

同時，我們可以為包括移動通信、物聯網、5G、雷達、衛星通信系統和高速數字設計在內的產品提供高水平設計開發服務。

審核編輯：湯梓紅