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

1背景

功率放大器(功放)是無線通信和雷達系統(tǒng)的核心部件，其性能直接決定了收發(fā)機的線性度、能效水平與可靠性。典型的射頻功放設(shè)計流程包括拓?fù)浼軜?gòu)確定、晶體管/偏置選擇、原理圖設(shè)計、S參數(shù)與諧波平衡仿真、版圖設(shè)計、電場磁仿真校驗、物理驗證(LVS&DRC)直至最終簽發(fā)。當(dāng)前，能支持上述完整設(shè)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(lǐng)域逐漸普及。寬帶功放需要系統(tǒng)考慮輸出功率、漏極效率、線性度、帶內(nèi)增益波動等多個技術(shù)指標(biāo)。在設(shè)計端，設(shè)計師的關(guān)注點逐漸從單目標(biāo)優(yōu)化向多目標(biāo)優(yōu)化方向發(fā)展，各類優(yōu)化算法開始應(yīng)用到多目標(biāo)協(xié)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(yīng)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(yīng)顯著，因此，能有效提取電路版圖中各種寄生效應(yīng)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(yōu)計，算法尋優(yōu)結(jié)束后仍然需要在電磁場仿真器引導(dǎo)下進行費力耗時的版圖調(diào)試。版圖自動化程度的低下，深度制約了整體設(shè)計效率的提升。

2版圖級優(yōu)化方法

在本設(shè)計案例中，我們通過協(xié)同多個EDA工具，成功突破傳統(tǒng)設(shè)計無法直接進行版圖級優(yōu)化的技術(shù)難題。

具體流程總結(jié)如下：

01基于Python語言定義出功放輸入輸出的匹配結(jié)構(gòu)的版圖拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每個無源器件(傳輸線、電容、電感等)參數(shù)皆設(shè)為變量。

02將賦好初值的無源結(jié)構(gòu)和基板疊層文件讀入到法動科技自主研發(fā)的三維全波電磁場仿真器UltraEM中執(zhí)行電磁仿真。

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

04人工智能算法引擎根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)判定輸出結(jié)果，并更新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)參數(shù)值。

05重復(fù)執(zhí)行步驟二至四，直至優(yōu)化目標(biāo)達成或者循環(huán)結(jié)束退出程序。

整個優(yōu)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(zhí)行，全程無需人工干預(yù)。另外，為有效規(guī)避經(jīng)典優(yōu)化算法容易遭遇的局部最優(yōu)陷阱，我們創(chuàng)新性采用高斯過程回歸輔助預(yù)測的非支配排序遺傳算法，不僅有效減少了運算次數(shù)來提高優(yōu)化速度，同時排除傳統(tǒng)算法缺陷，大幅增強了所提優(yōu)化流程的通用性。

圖1. 無需人工干預(yù)的版圖級優(yōu)化設(shè)計流程

基于上述方案，我們仿真設(shè)計了一款頻率范圍覆蓋2~3 GHz的寬帶功放?；诮?jīng)典的Wolfspeed 10W GaN HEMT器件，實現(xiàn)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(yōu)化的放大器版圖結(jié)構(gòu);(b)仿真的輸出功率和效率曲線

后續(xù)，法動科技將進一步研發(fā)設(shè)計規(guī)則(DesignRule)約束下的版圖優(yōu)化程序，進一步賦能RFIC和MMIC設(shè)計。

芯片級電磁仿真設(shè)計專家：UltraEM

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

此外，UltraEM與業(yè)界領(lǐng)先的模擬芯片設(shè)計環(huán)境進行無縫整合。UltraEM能夠用于創(chuàng)建參數(shù)化器件模型，支持芯片-封裝‐PCB自適應(yīng)精度聯(lián)合仿真，并且可以和第三方工具中的原理圖仿真結(jié)合，實現(xiàn)電磁場和電路的協(xié)同仿真，為廣大的設(shè)計人員提供高精度電磁分析服務(wù)。

法動科技：

成立于2017年。作為擁有硅谷及斯坦福創(chuàng)新基因的國際一流團隊，我們專業(yè)提供射頻微波電子設(shè)計自動化(EDA)軟件，憑借自主研發(fā)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(shù)的高效系統(tǒng)級仿真引擎，能夠在射頻微波芯片、封裝、高速PCB等領(lǐng)域為用戶提供快速準(zhǔn)確的電磁仿真、建模及優(yōu)化設(shè)計方案。

同時，我們可以為包括移動通信、物聯(lián)網(wǎng)、5G、雷達、衛(wèi)星通信系統(tǒng)和高速數(shù)字設(shè)計在內(nèi)的產(chǎn)品提供高水平設(shè)計開發(fā)服務(wù)。

審核編輯：湯梓紅