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畅谈新形势下我国印制电路板PCB设计自动化技术的发展

发布日期:2020-04-27浏览次数:2354 次

随着我国在5G技术领域领先地位的确立,5G赋能传统和新兴产业、点亮未来生活的步伐越走越快,引起了美国政府的担心和疑虑,开始对我国集成电路产业链上游企业实施技术断供,以确保美国在高科技领域和产业链前端控制力的绝对竞争优势,这显然违背了全球经济合作共赢共同发展的客观宗旨,使我国相关领域企业处境艰难。

面对集成电路产业链的技术断供,我国自主创新高科技企业必须勇敢应对前所未有的挑战,秉承“底线思维”,一方面广泛联合国内企业界和学术界精英,加大自主创新和研发力度,另一方面坚持“对外开放”,联合欧日韩等其他发达国家,尽最大努力完善技术和产业链,在竞争中取得优势。

电子设计自动化(Electronics Design Automation,EDA)是处于集成电路产业链最上游的高端产业。EDA设计软件涵盖了集成电路芯片的功能设计、综合、验证、物理设计(包括布局、布线、版图、设计规则检查等)直至封装测试等所有流程,是集成电路设计必需且最重要的软件工具,被称为“芯片之母”,它包括电路设计与仿真、印制电路板(Printed Circuit Board,PCB)设计、集成电路(Integrated Circuit,IC)设计、IP核(Intellectual Property core)设计和可编程逻辑器件(Program Logic Device,PLD)设计等工具,而PCB是承载电子元器件并连接电路的桥梁,被称为“电子产品之母”,广泛应用于通讯、消费电子、汽车电子、工业控制、医疗器械、国防及航空航天等领域,是现代电子信息产品中不可或缺的电子元器件。在当前形势下,我国要如何在自主PCB设计自动化领域应对挑战、抓住机遇,制定科学的发展战略和规划并分步实施,是打破美国在集成电路领域“卡脖子”企图的关键所在。

目前我国工业界的PCB设计软件还处于萌芽阶段,贯穿于PCB自动化设计所有环节的关键技术攻坚不能一蹴而就,而是要结合本国实情和产业链发展特点,夯实基础研究、紧跟业界需求、循序渐进,逐步将PCB设计流程中的人为要素替换成以智能算法为核心的自动化要素,将自动化、信息化和智能化贯穿于PCB设计流程的每一个关键环节,最终实现PCB全方位全覆盖的设计自动化。

近年来,知识图谱(KG)与图神经网络(GNN)技术的相互融合已经成为人工智能领域的研究热点,图神经网络利用深度学习架构对图信息中的拓扑结构信息和属性特征信息进行整合,可以实现关系抽取和实体消歧,提升神经网络的推理和演绎能力,而在PCB未来布局的规划中,如果将上游的逻辑与电路设计原理图转化为具有拓扑关系的知识图谱,再利用图神经网络进行知识推理,自动识别PCB版图的设计意图,这将对PCB的顶层设计和决策具有重要的推动作用。PCB设计自动化的技术路线划分为以下5个级别。

级别 1:具备相关独立功能点的自动化操作能力。在PCB的物理设计阶段,所有关键环节都依赖人工给定,包括人工建立网表信息,人工制定PCB的层叠结构设计,人工进行器件的划分和布局,人工进行信号的完整性设计、电源完整性设计,人工进行PCB版图设计。后续的工艺约束、参数提取以及链路仿真也都依赖人工。

级别 2:具备在强人工指导下的初步自动布局布线能力。在该级别,计算机具备一定的原理综合能力,能识别原理图逻辑关系和网络拓扑关系,而不仅仅依赖人工给定的网表信息。PCB自动化设计可以实现在电路模块内,满足数字电路规则约束条件下,具备在强人工指导下的初步自动布局布线能力。这里的强人工指导是指人工划分模块、指定区域、设定层数、指定优先级。而PCB物理设计环节的主要特征表现为人机交互和强依赖人为干预。后续的工艺约束、参数提取以及链路仿真还是依赖人工。与级别1相比,细分场景增加了对原理图的解析,通过非人工方式对人工网表信息提供重要补充,同时不再是简单约束下的场景细分,而是满足电气约束、高密约束等较为复杂约束的布局策略。

级别3:具备在弱人工指导下的自动布局布线能力。该级别在原理综合能力方面有所提升,试图理解原理图设计意图和约束,最终取消网表。PCB自动化设计可以实现在电路模块内,满足数字模拟混合电路规则约束条件下,具备在弱人工指导下的自动布局布线能力。PCB物理设计环节的主要特征表现为极限条件下人为参与,全方位的自动化设计开始占据主流。在场景细分中,线网的自动分组和优先级划分已经代替了人工指定,布局布线从各自的局部优化向协同优化转变。后续的参数提取由人为转为自动,并开始建立设计调整和链路仿真的通路,为级别4的参数提取和设计一体化打下基础。

级别4:具备自动设计能力。该级别在原理综合能力方面得到实质性的飞越,将原理图意图自动转换为设计策略。PCB自动化设计的能力范围也从模块内布局布线的一体化拓展到整个板级系统,具备更加全方位全范围的自动设计能力。全方位是指包括意图理解、布局、布线和仿真修正,最后经人工检测可投板;全范围是指从模块到板级的飞越,以及对不同工厂工艺约束自动检测。PCB物理设计环节的主要特征表现为PCB设计过程的无人化。在设计与仿真环节协同方面,表现为布局布线能依据仿真验证自动调整;参数提取和设计一体化;链路仿真和设计一体化。

级别5:具备实现设计意图到PCB版图设计。该级别在原理综合能力方面依然是将原理图意图自动转换为设计策略。与级别4相比,其能力范围从板级系统的设计自动化拓展到PCB版图的设计智能化,具备实现设计意图到PCB版图设计,PCB综合设计、仿真、工艺约束全流程自动化能力。在智能化方面突出表现为智能学习设计意图和PCB设计规则,从对工厂工艺约束的自动检测上升为主动对设计规则库的智能完善。

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