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電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）工具的演進(jìn)趨勢(shì)是借助先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)，提升設(shè)計(jì)效率與質(zhì)量，AI（人工智能）和ML（機(jī)器學(xué)習(xí)）技術(shù)的融入，進(jìn)一步強(qiáng)化了這一特性。

在數(shù)字邏輯芯片領(lǐng)域，AI驅(qū)動(dòng)的EDA工具已帶來(lái)巨大變革，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化布局布線、智能仿真與驗(yàn)證、設(shè)計(jì)優(yōu)化以及FinFET工藝遷移等工作。然而，在模擬/射頻器件領(lǐng)域，由于電路設(shè)計(jì)的定制性與復(fù)雜性、工藝的多樣性等問(wèn)題，AI用于模擬/射頻工藝遷移的研究成果與案例極為稀缺。

為提升AI在模擬/射頻器件設(shè)計(jì)和工藝遷移方面的技術(shù)價(jià)值，新思科技與格芯（GlobalFoundries）攜手，將一款高性能28GHz 5G毫米波功率放大器（Power Amplifier，PA）從格芯45RFSOI工藝平臺(tái)轉(zhuǎn)移至22FDX工藝平臺(tái)，并與手動(dòng)遷移至22FDX工藝平臺(tái)的產(chǎn)品進(jìn)行了對(duì)比。

模擬/射頻工藝特殊性提高AI技術(shù)應(yīng)用門檻

以往，模擬/射頻器件工藝遷移主要依靠設(shè)計(jì)工程師手動(dòng)完成，且這些工程師需具備資深的設(shè)計(jì)與遷移經(jīng)驗(yàn)，這為AI賦能模擬/射頻器件工藝遷移帶來(lái)了一些天然障礙，主要集中在設(shè)計(jì)復(fù)雜性、工藝差異性和AI工具不成熟這三個(gè)方面。

與大量使用標(biāo)準(zhǔn)元件庫(kù)的數(shù)字邏輯電路不同，模擬/射頻電路的設(shè)計(jì)很多時(shí)候是完全定制的。設(shè)計(jì)工程師需要根據(jù)具體應(yīng)用和工藝平臺(tái)手動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。同時(shí)，在設(shè)計(jì)優(yōu)化過(guò)程中，模擬/射頻電路通常需要同時(shí)優(yōu)化多個(gè)性能指標(biāo)，如增益、帶寬、功耗、噪聲等，而這些性能之間存在一定沖突，高度依賴設(shè)計(jì)工程師的經(jīng)驗(yàn)和直覺(jué)。并且，這些經(jīng)驗(yàn)和直覺(jué)因人而異，很難成為訓(xùn)練AI工具的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

在工藝方面，數(shù)字邏輯芯片主要采用FinFET工藝制造，每一代工藝迭代在基礎(chǔ)架構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)元件庫(kù)等方面都有大量延續(xù)。但模擬/射頻電路在工藝遷移時(shí)差異巨大，不同工藝節(jié)點(diǎn)或不同工藝技術(shù)都會(huì)導(dǎo)致器件性能產(chǎn)生巨大差異。尤其是每更換一個(gè)工藝平臺(tái)，寄生效應(yīng)（如寄生電容、電阻、電感）會(huì)發(fā)生很大改變，這就要求在工藝遷移時(shí)對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行針對(duì)性優(yōu)化，而每個(gè)設(shè)計(jì)工程師的優(yōu)化策略都不相同。此外，在模擬/射頻工藝上，不同工藝的PDK（Process Design Kit）中的參數(shù)和單元也并不一致。這些差異性給使用AI進(jìn)行模擬/射頻工藝遷移造成了很大的阻礙，要求AI工具能夠深刻理解并映射這些差異。

在此次新思科技和格芯的合作案例中，所進(jìn)行的工藝遷移涵蓋了不同的工藝節(jié)點(diǎn)和不同的工藝類型。其中，45RFSOI工藝平臺(tái)是45nm節(jié)點(diǎn)的PDSOI工藝，22FDX工藝是22nm節(jié)點(diǎn)的FDSOI工藝。PDSOI和FDSOI雖然都是絕緣體上硅（Silicon on Insulator，SOI）技術(shù)，但兩者在活性層耗盡程度、柵極電容與漏電流、摻雜與退火處理等方面存在顯著差異，具體如下表所示。

由于節(jié)點(diǎn)和工藝不同，格芯的45RFSOI平臺(tái)和22FDX平臺(tái)具有不同的技術(shù)特性。45RFSOI是格芯與頂級(jí)射頻公司合作提供的業(yè)界領(lǐng)先的射頻SOI技術(shù)，可為各種射頻應(yīng)用帶來(lái)低功耗、低噪聲和低延遲等特點(diǎn)。其高截止頻率（fT）和最大振蕩頻率（fmax）（305/380GHz）可滿足5G毫米波工作頻率，能實(shí)現(xiàn)更高的PA Pout和PAE，采用高電阻率的富陷阱層襯底能實(shí)現(xiàn)更好的網(wǎng)絡(luò)匹配。

22FDX是一種專門為SoC應(yīng)用實(shí)現(xiàn)最佳RF/mmWave性能而設(shè)計(jì)的工藝技術(shù)，能夠提供高性能的射頻和電源管理功能，具有347GHz的高fT和371GHz的高fmax。格芯的22FDX采用薄埋氧層（Buried Oxide,BOX），隔離了完全耗盡的晶體管與襯底，顯著降低了漏源寄生電容，從而提高了射頻性能；支持背柵控制，可以動(dòng)態(tài)調(diào)整器件特性，如閾值電壓；支持高密度的APMOM電容，能夠使用更精細(xì)的金屬層實(shí)現(xiàn)高密度集成；提供高性能的前端（FEOL）和后端（BEOL）射頻無(wú)源元件，支持更加復(fù)雜的電路設(shè)計(jì)；支持高達(dá)110GHz的頻率范圍，適用于5G毫米波和衛(wèi)星通信等高頻應(yīng)用；通過(guò)厚金屬層，如JA層，實(shí)現(xiàn)高電流密度，滿足毫米波電路的電磁兼容性（EMC）要求。

與FinFET工藝相比，22FDX技術(shù)使用更少的掩模層，降低了制造成本；ENBFMOAT器件（一種特殊的高電阻區(qū)域器件）具有優(yōu)異的開關(guān)性能，進(jìn)一步提高了射頻電路的隔離度；22FDX技術(shù)提供完整的工藝設(shè)計(jì)套件（PDK），包括參數(shù)化單元（pCell）、器件模型和設(shè)計(jì)規(guī)則，支持快速設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。

▲圖1：BFMOAT橫截面

▲圖2：基于22FDX實(shí)現(xiàn)毫米波器件設(shè)計(jì)

通過(guò)工藝平臺(tái)介紹可知，基于22FDX設(shè)計(jì)制造高性能28GHz毫米波PA能夠?qū)崿F(xiàn)更低的器件功耗、更高的器件集成度、更靈活的器件設(shè)計(jì)等。不過(guò)，正如上文所述，工藝節(jié)點(diǎn)和工藝技術(shù)的變化，對(duì)模擬/射頻器件遷移極具挑戰(zhàn)。目前可用的工藝遷移方案采用手動(dòng)方式，是一項(xiàng)勞動(dòng)密集型任務(wù)。按照手動(dòng)方式，將高性能28GHz毫米波PA從45RFSOI遷移到22FDX，大約需要1-2個(gè)月完成前端設(shè)計(jì)/分析，之后還需要1個(gè)月完成布局。

AI工具帶來(lái)10-20倍的遷移效率提升

格芯的22FDX平臺(tái)還有一項(xiàng)顯著的設(shè)計(jì)資源優(yōu)勢(shì)，即該平臺(tái)支持AI驅(qū)動(dòng)的EDA工具，可借助新思科技的ASO.ai實(shí)現(xiàn)由AI驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)遷移和優(yōu)化，加速設(shè)計(jì)流程。

如下圖所示，在此次新思科技和格芯的合作中，AI工具完成了自動(dòng)原理圖遷移、射頻電路優(yōu)化和自動(dòng)化布局的整個(gè)流程，顯著提升了射頻工程師的設(shè)計(jì)效率。

▲圖3：AI驅(qū)動(dòng)的射頻遷移工作流

在原理圖遷移環(huán)節(jié)，手動(dòng)遷移需要工程師對(duì)PDK和技術(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)逐一進(jìn)行映射和更新，工作十分繁瑣。在自動(dòng)原理圖遷移過(guò)程中，AI工具將原參數(shù)映射到其最近的等效參數(shù)，然后觸發(fā)CDF回調(diào)以更新最新的參數(shù)。自定義編譯器中的設(shè)計(jì)重新定位功能用于將28GHz毫米波PA原理圖和測(cè)試臺(tái)從格芯的45RFSOI遷移到22FDX節(jié)點(diǎn)，以便在遷移后設(shè)計(jì)可以準(zhǔn)備成網(wǎng)表并進(jìn)行仿真。

在此過(guò)程中，新思科技的PrimeWave設(shè)計(jì)環(huán)境提供了一個(gè)由AI驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)環(huán)境，用以提供測(cè)試臺(tái)分析、網(wǎng)表，并能夠使用單測(cè)試臺(tái)（STB）和多測(cè)試臺(tái)（MTB）設(shè)置運(yùn)行各種模擬，以運(yùn)行PrimeSim SPICERF模擬，然后使用波形查看器和結(jié)果分析工具分析布局前和布局后的電路結(jié)果。

此時(shí)，PrimeWave給出的設(shè)計(jì)特征與設(shè)計(jì)規(guī)范并不匹配，于是進(jìn)入基于AI的射頻電路優(yōu)化環(huán)節(jié)。新思科技的ASO.ai電路優(yōu)化技術(shù)基于AI和ML技術(shù)，加速模擬和射頻電路的設(shè)計(jì)優(yōu)化流程。如下圖所示，ASO.ai可以幫助設(shè)計(jì)工程師進(jìn)行以下操作：

在PrimeWave設(shè)計(jì)環(huán)境中設(shè)置測(cè)試臺(tái)、設(shè)計(jì)目標(biāo)和約束條件等；

使用PrimeWave的參數(shù)化工具，將設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵參數(shù)定義為可變參數(shù)量；

通過(guò)ASO.ai電路優(yōu)化界面設(shè)置置換參數(shù)（優(yōu)化參數(shù)）和目標(biāo)指標(biāo)；

通過(guò)ASO.ai電路優(yōu)化界面設(shè)置停止條件；

優(yōu)化完成后，ASO.ai提供詳細(xì)的優(yōu)化結(jié)果，包括最佳參數(shù)組合和對(duì)應(yīng)的性能指標(biāo)。

▲圖4：ASO.ai電路優(yōu)化技術(shù)的優(yōu)化流程。

在整個(gè)優(yōu)化過(guò)程中，ASO.ai電路優(yōu)化技術(shù)自動(dòng)優(yōu)化了直流電路偏置點(diǎn)、功率增加效率（PAE）等關(guān)鍵參數(shù)，并提高了PA的穩(wěn)定性，所有自動(dòng)優(yōu)化之后的參數(shù)都非常接近所需值。隨后，使用PrimeWave運(yùn)行PrimeSim對(duì)PAE等指標(biāo)進(jìn)行大信號(hào)分析，然后使用PrimeSim SPICE品質(zhì)平衡分析來(lái)檢查PA是否滿足PAE關(guān)鍵規(guī)范，以及是否需要進(jìn)一步優(yōu)化以最大限度地提高PAE。結(jié)果顯示，高性能28GHz毫米波PA在格芯的22FDX節(jié)點(diǎn)能夠展現(xiàn)出接近或優(yōu)于格芯45RFSOI節(jié)點(diǎn)的性能，不再需要進(jìn)一步的優(yōu)化。

▲圖5：28GHz毫米波PA自動(dòng)優(yōu)化結(jié)果顯示

在此次AI驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)遷移過(guò)程中，新思科技ASO.ai展示了加速模擬/射頻電路設(shè)計(jì)和遷移的強(qiáng)大能力。ASO.ai包含一套豐富的由AI驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)、實(shí)施和驗(yàn)證解決方案，包括統(tǒng)一的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證工具Custom Design Family、電路模擬解決方案PrimeSim、設(shè)計(jì)環(huán)境Custom Compiler、物理驗(yàn)證高性能簽發(fā)解決方案IC Validator、寄生參數(shù)提取解決方案StarRC和光學(xué)解決方案。

基于這一整套工具鏈，ASO.ai可以幫助設(shè)計(jì)工程師實(shí)現(xiàn)自動(dòng)工藝節(jié)點(diǎn)遷移、大規(guī)模設(shè)計(jì)優(yōu)化、布局感知設(shè)計(jì)優(yōu)化和對(duì)電路的智能分析，以最少的人力完成大規(guī)模的模擬/射頻電路的升級(jí)迭代和產(chǎn)品上市。之所以能夠做到這一點(diǎn)，是因?yàn)锳SO.ai工具組合匯集了模擬/射頻設(shè)計(jì)工程師們數(shù)十年的工程經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)知識(shí)，采用突破性的強(qiáng)化學(xué)習(xí)優(yōu)化技術(shù)，將這些寶貴的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)直覺(jué)轉(zhuǎn)化為由AI驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)化設(shè)計(jì)方法，節(jié)省了大量繁瑣的手動(dòng)工作時(shí)間和成本。

最終結(jié)果顯示，借助新思科技ASO.ai解決方案，只需短短幾天就能完成高性能28GHz毫米波PA從45RFSOI工藝向22FDX工藝的遷移，并實(shí)現(xiàn)接近或超越的射頻性能，從而提高10-20倍的生產(chǎn)率。同時(shí)，新思科技和格芯此次的合作還發(fā)現(xiàn)了一些后續(xù)可優(yōu)化的方向，比如輸出匹配變壓器的優(yōu)化是提升功率放大器PAE的關(guān)鍵手段。通過(guò)新思科技的Custom Compiler RF設(shè)計(jì)解決方案搭配是德科技（Keysight）或新思科技（來(lái)自Ansys）的電磁（EM）提取工具，可對(duì)變壓器進(jìn)行精確建模和優(yōu)化，更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)和優(yōu)化其性能，從而提升PAE。

新思科技BSDF測(cè)量解決方案

與數(shù)字邏輯電路不同，模擬/射頻電路以往的設(shè)計(jì)和遷移更多依賴設(shè)計(jì)工程師的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)和直覺(jué)，在參數(shù)映射和更新以及電路優(yōu)化方面需耗費(fèi)大量時(shí)間，工作量繁雜且易出現(xiàn)人為錯(cuò)誤。以高性能28GHz毫米波PA從45RFSOI工藝向22FDX工藝的遷移為例，人工操作需要2-3個(gè)月時(shí)間，而通過(guò)使用新思科技的ASO.ai解決方案，這一過(guò)程縮短至數(shù)天，帶來(lái)了10-20倍的生產(chǎn)率提升。

ASO.ai積累了模擬/射頻設(shè)計(jì)工程師數(shù)十年的工程經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)知識(shí)，借助先進(jìn)的AI和ML技術(shù)，這些寶貴的知識(shí)財(cái)富將逐步釋放到整個(gè)模擬/射頻電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域，開啟模擬/射頻電路設(shè)計(jì)和工藝遷移的智能化時(shí)代。