基于人工智能技术的版图级优化设计流程

近日，法动科技联合杭州电子科技大学陈世昌教授科研团队，成功开发出基于人工智能技术的版图级优化设计流程，有效改善高频电路版图设计自动化程度低的现状，提升功率放大器性能和设计效率。

1背景

功率放大器(功放)是无线通信和雷达系统的核心部件，其性能直接决定了收发机的线性度、能效水平与可靠性。典型的射频功放设计流程包括拓扑架构确定、晶体管/偏置选择、原理图设计、S参数与谐波平衡仿真、版图设计、电场磁仿真校验、物理验证(LVS&DRC)直至最终签发。当前，能支持上述完整设计流程的EDA工具平台主要有Keysight ADS, Cadence Virtuoso等。

近年来，支持宽频带工作的功放在多功能雷达、电子对抗、微波毫米波通信等领域逐渐普及。宽带功放需要系统考虑输出功率、漏极效率、线性度、带内增益波动等多个技术指标。在设计端，设计师的关注点逐渐从单目标优化向多目标优化方向发展，各类优化算法开始应用到多目标协同的综合性能评价方法中。

与此同时，随着5G、毫米波、太赫兹等应用的普及深化，射频功率放大器工作频率逐渐提升，寄生耦合效应显著，因此，能有效提取电路版图中各种寄生效应的电磁场仿真重要性愈加突出。但是，目前常用的EDA软件只支持原理图层级的优计，算法寻优结束后仍然需要在电磁场仿真器引导下进行费力耗时的版图调试。版图自动化程度的低下，深度制约了整体设计效率的提升。

2版图级优化方法

在本设计案例中，我们通过协同多个EDA工具，成功突破传统设计无法直接进行版图级优化的技术难题。

具体流程总结如下：

01基于Python语言定义出功放输入输出的匹配结构的版图拓扑结构，每个无源器件(传输线、电容、电感等)参数皆设为变量。

02将赋好初值的无源结构和基板叠层文件读入到法动科技自主研发的三维全波电磁场仿真器UltraEM中执行电磁仿真。

03电磁仿真结果(S/Y/Z参数)自动传递到电路仿真器中执行场-路联合仿真，输出结果提供给人工智能引擎。

04人工智能算法引擎根据优化目标判定输出结果，并更新拓扑结构参数值。

05重复执行步骤二至四，直至优化目标达成或者循环结束退出程序。

整个优化过程如下图一所示，全部算法代码和软件控制通过Matlab程序自动执行，全程无需人工干预。另外，为有效规避经典优化算法容易遭遇的局部最优陷阱，我们创新性采用高斯过程回归辅助预测的非支配排序遗传算法，不仅有效减少了运算次数来提高优化速度，同时排除传统算法缺陷，大幅增强了所提优化流程的通用性。

图1. 无需人工干预的版图级优化设计流程

基于上述方案，我们仿真设计了一款频率范围覆盖2~3 GHz的宽带功放。基于经典的Wolfspeed 10W GaN HEMT器件，实现全频段输出功率大于41.5 dBm，功率附加效率大于60%。

图2. (a)自动优化的放大器版图结构;(b)仿真的输出功率和效率曲线

后续，法动科技将进一步研发设计规则(DesignRule)约束下的版图优化程序，进一步赋能RFIC和MMIC设计。

芯片级电磁仿真设计专家：UltraEM

UltraEM：芯片级的电磁仿真设计专家，采用领先的三维全波电磁仿真技术，用于分析高速和射频/微波集成电路版图的电磁场效应。UltraEM基于多层快速多极子(MLFMM)算法，大大降低计算复杂度。同时，由于计算复杂度近似线性，对内存的需求大大降低，计算容量更大，能够仿真更大规模的集成电路，支持高达百万剖分单元的结构，特别适合于剖分单元众多的复杂电磁结构的仿真设计。

此外，UltraEM与业界领先的模拟芯片设计环境进行无缝整合。UltraEM能够用于创建参数化器件模型，支持芯片-封装‐PCB自适应精度联合仿真，并且可以和第三方工具中的原理图仿真结合，实现电磁场和电路的协同仿真，为广大的设计人员提供高精度电磁分析服务。

法动科技：

成立于2017年。作为拥有硅谷及斯坦福创新基因的国际一流团队，我们专业提供射频微波电子设计自动化(EDA)软件，凭借自主研发的大容量、快速三维全波电磁仿真引擎和基于人工智能技术的高效系统级仿真引擎，能够在射频微波芯片、封装、高速PCB等领域为用户提供快速准确的电磁仿真、建模及优化设计方案。

同时，我们可以为包括移动通信、物联网、5G、雷达、卫星通信系统和高速数字设计在内的产品提供高水平设计开发服务。

审核编辑：汤梓红