50ohm Tech Circuit Studio – платформа для автоматизированного проектирования схемных решений СВЧ интегральных схем с применением методов ИИ
Алексей Калентьев, Игорь Добуш, Александр Горяинов, Андрей Сальников, Александр Метель
50ohm Technologies
info@50ohm.tech
Статья размещена в журнале «Электроника СВЧ» №2.
Circuit Studio – это САПР нового поколения, использующая методы искусственного интеллекта для поиска схемных решений СВЧ интегральных схем (ИС). Пользователь задает требования к электрическим характеристикам разрабатываемой СВЧ ИС, а программа сама генерирует (синтезирует) структуру и параметры элементов схемного решения под требуемый технологический процесс. В настоящее время программная платформа Circuit Studio расширяется модулями для синтеза малошумящих усилителей, ступенчатых аттенюаторов, ступенчатых фазовращателей, двухканальных коммутаторов. Основным преимуществом при использовании Circuit Studio является значительное сокращение времени разработки схемных решений СВЧ ИС (с нескольких месяцев/недель до нескольких дней/часов), что позволяет повысить производительность дизайн-центра без увеличения команды разработчиков.
ВВЕДЕНИЕ
За последние два десятилетия в отечественных и зарубежных изданиях появилось значительное количество научных работ, посвященных развитию интеллектуальных подходов к генерации (синтезу) схемных и топологических решений СВЧ интегральных схем (ИС) по заданным характеристикам. Несмотря на продолжительную историю исследований, не все перспективные методы в настоящий момент реализованы в виде программных продуктов, пригодных для промышленного применения.
Среди факторов, влияющих на данный процесс, можно выделить следующие:
– большой объем организационных и технических работ для перехода от научных результатов к программному продукту, а также их непрерывное финансирование;
– наличие междисциплинарных компетенций в команде разработки продукта на стыке программной инженерии и предметной области;
– учет потребностей рынка, в том числе бесшовная интеграция новых продуктов в традиционный маршрут проектирования полупроводниковых устройств;
– рост вычислительных мощностей и бурное развитие методов искусственного интеллекта (ИИ) в разных отраслях;
– снижение привлекательности отрасли среди молодых специалистов, приводящее к долгосрочному дефициту разработчиков СВЧ ИС;
– недоверие состоявшихся инженеров к новым методам проектирования на этапе их становления.
В начале 2020-х годов комбинация этих факторов привела к появлению ряда инициатив, ориентированных на создание программных продуктов, направленных на кардинальное повышение эффективности разработки СВЧ ИС. Среди них хотелось бы отметить:
– в 2024 году некоммерческая организация Natcast, созданная Министерством торговли США для управления Национальным центром полупроводниковых технологий (NSTC), объявила о старте программы AIDRFIC (Artificial Intelligence Driven Radio Frequency Integrated Circuit Design Enablement) с финансированием до 30 млн долл., целью которой является адаптация методов ИИ для проектирования радиочастотных ИС [1];
– в 2024 году [2] американский дизайн-центр Miller MMIC, специализирующийся на разработке ИС на A3B5-техпроцессах (GaAs, GaN, InP), анонсировал появление платформы RapidRF для проектирования СВЧ ИС на основе ИИ;
– в 2022 году [3] коллектив авторов настоящей работы изложил концепцию и привел примеры реализации нескольких программных модулей интеллектуальной САПР «Смекалец» для синтеза схемных решений и эскизов топологий однофункциональных и многофункциональных интегральных схем СВЧ-диапазона.
В данной статье представлена программная платформа 50ohm Tech Circuit Studio, являющаяся одной из составляющих интеллектуальной САПР «Смекалец» и предназначенная для автоматизации одного из этапов проектирования СВЧ ИС – синтеза схемных решений.
О ПРОБЛЕМАХ РАЗРАБОТКИ СВЧ ИС
Современный уровень развития технологических процессов изготовления СВЧ ИС на основе полупроводниковых материалов группы A3B5 позволяет объединять различные функциональные блоки (ФБ) на одном кристалле, в том числе: малошумящие усилители (МШУ), буферные усилители (БУ), усилители мощности (УМ), ступенчатые аттенюаторы (СА), ступенчатые фазовращатели (СФ), коммутаторы, а также драйверы управления параллельного или последовательного типа. Перечисленные ФБ имеют различные принципы работы и наборы электрических характеристик, а также множество вариантов схемных решений и подходов к проектированию. Если учесть разнообразие доступных на рынке технологических процессов от нескольких фабрик, то количество вариантов решений задачи создания конкретной многофункциональной СВЧ ИС становится столь велико, что выбор оптимального из них потребует колоссальных трудозатрат команды высококвалифицированных разработчиков. По экспертным оценкам среднее время проектирования однофункциональной СВЧ ИС составляет 2-4 месяца, многофункциональной СВЧ ИС – 8-16 месяцев, время между разработкой схемного и топологического решений распределено примерно поровну.
В традиционном маршруте проектирования СВЧ ИС этап разработки схемного решения состоит из следующих шагов (рис. 1): постановка требований, разработка структурной схемы, разработка принципиальной схемы, моделирование на идеальных элементах, замена идеальных элементов на реальные (учитывающие особенности конкретной технологии изготовления), оптимизация принципиальной схемы для удовлетворения поставленным требованиям. Такой процесс является длительным и многоитерационным, зачастую не гарантирует получения успешного результата при переходе от идеальных элементов к реальным, полностью основан на опыте разработчика.
Рис. 1. Традиционный маршрут проектирования СВЧ ИС
РАЗРАБОТКА СХЕМНЫХ РЕШЕНИЙ СВЧ ИС НА ОСНОВЕ ИИ
Реализованный в 50ohm Tech Circuit Studio подход к решению задачи синтеза схемных решений СВЧ ИС базируется на следующих компонентах:
1) морфологический подход (рис. 2) – используется для «оцифровки» множества схемных решений различных ФБ, необходимо отметить, что пользователь (инженер-разработчик СВЧ ИС) может дополнить это множество своими схемными решениями, которые доказали свою работоспособность в ранее выполненных проектах, например, на альтернативном технологическом процессе или в другом частотном диапазоне;
2) эволюционные алгоритмы – в качестве интеллектуального алгоритма, позволяющего исследовать многомерные поисковые пространства структур и параметров элементов электрических схем с множеством локальных оптимумов, используется генетический алгоритм;
3) библиотеки элементов (PDK) – важнейшим фактором для практического использования данного подхода является возможность бесшовной интеграции с широко используемыми в промышленности САПР полного цикла и моделями элементов из PDK, учитывающими особенности конкретных технологических процессов фабрик по производству СВЧ ИС.
Рис. 2. Графическое представление морфологического подхода на примере СВЧ МШУ
В данном варианте маршрута проектирования СВЧ ИС схемное решение синтезируется непосредственно на моделях элементов из библиотеки выбранного технологического процесса в автоматическом режиме. Таким образом, маршрут проектирования схемы сокращается до двух шагов (рис. 3): постановка требований, выбор из синтезированных решений оптимального. Далее пользователь может провести экспорт схемы в САПР электронных устройств полного цикла для разработки и верификации топологии СВЧ ИС.
Рис. 3. Маршрут проектирования СВЧ ИС на основе ИИ
ОСОБЕННОСТИ 50OHM TECH CIRCUIT STUDIO
На сегодняшний день программная платформа 50ohm Tech Circuit Studio расширяется модулями для синтеза следующих типов СВЧ ИС на основе материалов A3B5: МШУ, СА, СФ, двухканальные коммутаторы.
Особенности платформы:
1) синтез структуры – автоматическая генерация структуры и параметров физически реализуемых схемных решений СВЧ ИС;
2) комплекс требований – учет требований к комплексу электрических характеристик различных типов СВЧ ИС: МШУ (коэффициенты усиления, шума, устойчивости, отражения по входу и выходу), СА (коэффициенты передачи и отражения в различных состояниях аттенюатора, СКО по амплитуде и фазе), СФ (коэффициенты передачи и отражения в различных состояниях фазовращателя, СКО по фазе и амплитуде), двухканальные коммутаторы (коэффициенты передачи и отражения во включенном и выключенном канале);
3) PDK фабрики – синтез выполняется с использованием моделей элементов PDK фабрики, учитывающих особенности выбранной технологии изготовления;
4) множество решений – в результате синтеза программа предлагает множество подходящих под заданные требования решений, отличных по структуре и параметрам;
5) быстрое моделирование – алгоритм моделирования S-параметров и шумовых параметров разработан с учетом особенностей структур МШУ, СА, СФ и двухканальных коммутаторов, что делает его быстрее, чем универсальные алгоритмы моделирования в САПР электронных устройств полного цикла;
6) интеграция с САПР – бесшовная интеграция с традиционными САПР электронных устройств полного цикла позволяет продолжить работу с полученными решениями в привычных инструментах, поддерживаемых фабриками по изготовлению СВЧ ИС.
ВЕРИФИКАЦИЯ 50OHM TECH CIRCUIT STUDIO
К настоящему моменту с использованием платформы 50ohm Tech Circuit Studio разработано более десятка схемных решений различных типов СВЧ ИС, прошедших этапы разработки топологии и изготовления на отечественных технологических процессах 0,25 мкм GaAs pHEMT и 0,5 мкм GaN HEMT АО «Светлана-Рост» (г. Санкт-Петербург). Для всех микросхем наблюдается хорошее совпадение результатов моделирования и измерений.
Приведем временные затраты на разработку некоторых из них:
1) двухкаскадный МШУ диапазона частот 8-12 ГГц на основе 0,25 мкм GaAs pHEMT (схемное решение – 24 часа, топология – 14 дней);
2) 6-бит СА диапазона частот 0,5-30 ГГц на основе 0,25 мкм GaAs pHEMT (схемное решение – 24 часа, топология – 14 дней);
3) 4-бит СФ диапазона частот 9-11 ГГц на основе 0,25 мкм GaAs pHEMT (схемное решение – 16 часов, топология – 14 дней);
4) двухканальный коммутатор диапазона частот 8-12 ГГц на основе 0,5 мкм GaN HEMT (схемное решение – 6 часов, топология – 6 дней), на рис. 4 и рис. 5 приведено синтезированное схемное решение и фотография изготовленного кристалла коммутатора, а на рис. 6 – смоделированные и измеренные характеристики.
Рис. 4. Схемное решение коммутатора
Рис. 5. Фотография кристалла коммутатора (1,45 мм × 1,45 мм)
Рис. 6. Смоделированные и измеренные характеристики коммутатора: а) |S21|; б) развязка; в) |S11|; г) |S22|
Размещение статей и коммерческой информации: anton.denisov@ecomp.ru
Литература
[1] Artificial Intelligence Driven Radio Frequency Integrated Circuit Design Enablement (AIDRFIC) Program. www.natcast.org
[2] AI-Driven Design Platform Speeds Up the Design Process of RF MMICs for Next-Gen Wireless Communications. www.everythingrf.com
[3] Калентьев А.А., Добуш И.М., Горяинов А.Е., Сальников А.С. Интеллектуальная САПР «Смекалец»: быстрый и простой синтез СВЧ интегральных схем // Электроника: Наука, технология, бизнес. 2022. №3.
