Barry Olney

任澳大利亞In-Circuit Design Pty Ltd (iCD)公司執(zhí)行董事。該公司深耕PCB設(shè)計服務(wù)領(lǐng)域，專門研究電路板級仿真技術(shù)。其開發(fā)的iCD Design Integrity 軟件整合了 iCD Stackup、PDN和CPW Planner。

傳統(tǒng)的PCB設(shè)計過程往往既耗時又耗力。布線復(fù)雜的PCB布局可能會占用設(shè)計師高達(dá)30%的時間，解決這個問題并不簡單。我們都遇到過這種情況：花了幾個小時設(shè)置制約條件，最后按下“開始”按鈕，卻只會驚訝地看到缺乏視覺吸引力且有明顯缺陷的設(shè)計結(jié)果。

歷史表明，PCB設(shè)計師普遍持懷疑態(tài)度，許多設(shè)計師更喜歡交互式布線——設(shè)置過程通常比手動布線設(shè)計需要更長的時間。然而，現(xiàn)代自動布線器實現(xiàn)了自動化和交互式控制的結(jié)合，允許用戶在選擇時與系統(tǒng)互動，從而可在獨(dú)立性與用戶干預(yù)之間取得平衡。但是，許多設(shè)計師未充分利用其布線器的全部功能。

過去30年，PCB布線器取得了長足的進(jìn)步，從基本的點對點連接器發(fā)展到復(fù)雜的布線系統(tǒng)。然而，仍存在很大的提升空間。本文將深入探討人工智能技術(shù)的最新進(jìn)展，重點關(guān)注其對布線技術(shù)的影響。

現(xiàn)代自動布線器采用布爾算法，在很大程度上依賴于配置和設(shè)置，這意味著它們的有效性與配置它們的人的技能直接相關(guān)。幸運(yùn)的是，這種配置可以保存并應(yīng)用于未來的設(shè)計，節(jié)省了一些時間。多年來，PCB布線器經(jīng)歷了許多不同的發(fā)展階段，從難以學(xué)習(xí)、使用和交互的第三方應(yīng)用程序，到有結(jié)合力的、基于云的布局/布線器環(huán)境。IC和PCB布線應(yīng)用程序使用了許多相同的算法，其中基于形狀、推擠和自動撤銷且重試功能是最有效的。

然而，隨著強(qiáng)化機(jī)器學(xué)習(xí)的出現(xiàn)，可以在廣泛的專業(yè)PCB布局庫上培訓(xùn)人工智能，從而繞過傳統(tǒng)的設(shè)置過程。這使得人工智能能夠利用其培訓(xùn)來生產(chǎn)高質(zhì)量的產(chǎn)品，有效地重新利用以前設(shè)計中的約束條件和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

PCB設(shè)計師通常會在手動任務(wù)上投入相當(dāng)多的時間，如元器件放置和信號布線。然而，隨著生成式人工智能的出現(xiàn)，這些過程可以實現(xiàn)自動化，從而在早期階段實現(xiàn)更快的迭代和更大的設(shè)計探索。例如，Allegro X人工智能聲稱遵守與導(dǎo)線長度、信號完整性和電源分配相關(guān)的約束條件。然而，考慮到傳播延遲是一個比長度本身更關(guān)鍵的問題，人們可能會質(zhì)疑分析導(dǎo)線長度的必要性。

該系統(tǒng)可實現(xiàn)關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)的元器件放置和布線的自動化，確保減少布線所需時間的同時，保持信號完整性。鋪銅過程也是自動化的，便于創(chuàng)建接地和電源平面，過去這是一項耗時的任務(wù)。幾十年來，Cadence一直在開發(fā)用于IC合成的放置及布線（Place-and-Route，簡稱P&R）工具，現(xiàn)在已經(jīng)將該技術(shù)應(yīng)用于PCB P&R。更短的互連和減少的交叉對芯片和PCB布局都至關(guān)重要，但關(guān)鍵的布線，包括信號完整性和飛行時間要求，對PCB來說更為重要。

Zuken還引入了被稱為智能放置及布線（Intelligent Place and Route，AIPR）的人工智能技術(shù)，該技術(shù)通過三個階段的推出增強(qiáng)了CR-8000平臺。初始階段稱為Basic Brain，通過使用智能自動布線器基于學(xué)習(xí)方法及策略優(yōu)化設(shè)計布線，顯著改善了用戶體驗。第二階段，Zuken的Dynamic Brain將利用新開發(fā)的PCB設(shè)計的見解，將歷史設(shè)計案例納入其AI算法中。這種客戶最佳實踐和人工智能驅(qū)動見解的融合有望在CR-8000框架內(nèi)加速設(shè)計迭代并大幅提高整體生產(chǎn)力。最后階段，即Autonomous Brain，將具備在每個項目中自我改進(jìn)的能力，開創(chuàng)人工智能驅(qū)動創(chuàng)新的新時代。

西門子在引入過程預(yù)測（Process Prediction）方面取得了重大進(jìn)展，這是其現(xiàn)代用戶體驗解決方案的關(guān)鍵組成部分。這一創(chuàng)新功能已集成到Xpedition PCB、Constraints Manager和HyperLynx Analysis工具中。當(dāng)用戶設(shè)計其產(chǎn)品時，會實時不斷地培訓(xùn)預(yù)測模型，使其能夠做出即時預(yù)測。對于每個新命令，模型都會學(xué)習(xí)特定用戶的序列，以適應(yīng)他們的特有行為。它可以容納多個學(xué)習(xí)子過程，并在這些路徑之間無縫切換（圖1）。

圖1：在進(jìn)程之間切換路徑（來源：Siemens EDA）

該過程從Xpedition PCB開始，在那里創(chuàng)建布局，然后建立約束條件，包括疊層定義和設(shè)計規(guī)則。隨后，它將返回布局進(jìn)行編輯。在布線布局時，關(guān)鍵約束條件被輸入HyperLynx進(jìn)行信號完整性分析，以確保質(zhì)量。此過程采用DDR批處理向?qū)нM(jìn)行時序仿真。如果發(fā)生故障，將重新審核布局以進(jìn)行微調(diào)。這個循環(huán)一直持續(xù)到滿足所有要求，完成從開始到結(jié)束的整個設(shè)計流程（圖2）。

圖2

目標(biāo)人群包括沒有經(jīng)驗的設(shè)計師，他們可以利用預(yù)先培訓(xùn)的種子模型。中等水平設(shè)計師可以選擇培訓(xùn)自己的模型或利用經(jīng)驗豐富的設(shè)計師創(chuàng)建的模型來提高流程效率。此外，專家級設(shè)計師可以通過這些種子模型傳授他們對復(fù)雜工作流程和標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計過程的知識。

在低端市場，我們發(fā)現(xiàn)了新興平臺，如DeepPCB和Flux Copilot。DeepPCB是端到端、完全自動化的按需付費(fèi)PCB人工智能工具。DeepPCB支持所有與Specctra兼容的PCB EDA工具，包括OrCAD、Allegro、PADS、Zuken CR-3000/CR-5000、Altium、EAGLE、KiCAD、EasyEDA等。為了獲得DeepPCB的最佳效果，需要手動布線敏感部件和不受支持的網(wǎng)，然后讓DeepPCB在保護(hù)現(xiàn)有布線的同時處理其余部分。DeepPCB的標(biāo)準(zhǔn)版本使用戶能夠設(shè)計多達(dá)8層和1200個連接的布局，完成一個設(shè)計只需要幾個小時。這可能適用于KICAD和Eagle用戶，但似乎代表了技術(shù)的倒退，因為自動布線非關(guān)鍵網(wǎng)的能力已經(jīng)存在了幾十年，且已能夠在幾秒鐘內(nèi)完成。

Flux Copilot是AI PCB設(shè)計領(lǐng)域的另一個入門級工具，適合設(shè)計簡單微控制器項目的業(yè)余愛好者。它可以幫助選擇元器件，在遇到困難時進(jìn)行調(diào)試，并為用戶提供建議和創(chuàng)建原理圖連接。Flux Copilot是KiCAD和EasyEDA的直接競爭對手。此外，KiCAD Guider為KiCAD提供人工智能驅(qū)動支持，提供設(shè)計建議并可檢測錯誤，以增強(qiáng)設(shè)計師的體驗。

PCB設(shè)計已經(jīng)從手動布線發(fā)展到高度先進(jìn)的人工智能驅(qū)動自動布線解決方案，大大減少了設(shè)計過程所需的時間和人工。雖然過去的布線器在很大程度上依賴于設(shè)置和用戶專業(yè)知識，但基于人工智能的現(xiàn)代工具利用機(jī)器學(xué)習(xí)來簡化和優(yōu)化布線，同時仍可保持信號完整性。

隨著人工智能集成的發(fā)展，PCB設(shè)計師將有更多機(jī)會加強(qiáng)工作流程，減少重復(fù)性任務(wù)，專注于創(chuàng)新，最終將PCB設(shè)計轉(zhuǎn)變?yōu)楦庇^、更智能及無縫的體驗。

要點

?歷史表明，PCB設(shè)計師普遍持懷疑態(tài)度，其中許多人更喜歡交互式布線。

?現(xiàn)代自動布線器采用Boolean算法，在很大程度上依賴于配置和設(shè)置。這意味著它們的

有效性與配置它們的人的技能直接相關(guān)。

?隨著強(qiáng)化機(jī)器學(xué)習(xí)的出現(xiàn)，可以在廣泛的專業(yè)PCB布局庫上培訓(xùn)人工智能，從而避開傳

統(tǒng)的設(shè)置過程。

?Allegro X AI遵守與導(dǎo)線長度、信號完整性和電源分布相關(guān)的約束條件。

?Zuken還引入了被稱為自主智能放置及布線（Autonomous Intelligent Place and Route，簡稱AIPR）的人工智能技術(shù)。

?西門子在引入過程預(yù)測（Process Prediction）方面取得了重大進(jìn)展，過程預(yù)測是其現(xiàn)代用戶體驗解決方案（Modern UX Solution）的主要組成部分。