Smart Particles

Ziel

Neuartige Methodik für den Layoutentwurf analoger integrierter Schaltungen mithilfe eigenintelligenter autonomer "Elementarteilchen"

Motivation

Während der Layoutentwurf digitaler integrierter Schaltungen durch optimierende Algorithmen weitgehend automatisiert wurde, konnten sich derartige Ansätze im Analogbereich bislang nicht industriell etablieren. Stattdessen basiert der Analogentwurf noch immer auf der mühsamen manuellen Entwurfsarbeit erfahrener Layoutexperten. Obwohl der Entwurfsfluss durch prozedurale Generatoren unterstützt wird, beschränken sich diese meist auf ganz grundlegende Schaltungskomponenten. Die Entwurfsproduktivität ist daher immer noch um mehrere Größenordnungen höher als bei Digitalschaltungen, was den technologischen Fortschritt multifunktionaler Mikroelektroniksysteme dramatisch bremst.

Stand der Technik

Existierende Automatisierungsansätze können grundsätzlich in die beiden oben erwähnten Automatisierungsstrategien unterteilt werden. Diese folgen, akademisch betrachtet, zwei grundlegend verschiedenen Paradigmen: optimierende Algorithmen arbeiten top-down und können Entwurfsanforderungen explizit berücksichtigen (sofern diese formal beschrieben wurden), aber nicht implizit. Prozedurale Generatoren hingegen arbeiten bottom-up und können Entwurfsanforderungen implizit berücksichtigen (sofern dies vom Generatorentwickler vorgedacht wurde), aber nicht explizit.

Unser Ansatz

Da die Stärken und Schwächen der zwei Automatisierungsstrategien sich in dieser Hinsicht ergänzen, ist anzunehmen, dass eine Kombination beider Paradigmen (bottom-up meets top-down) weitaus mehr Potenzial hat, das Entwurfsproblem in seiner Gesamtheit zu lösen als optimierungsbasierte oder generatorbasierte Ansätze für sich allen. Doch weil die zwei Strategien komplementär sind, sind sie auf der anderen Seite auch inkompatibel. Die SWARM-Methodik (siehe hier) zeigt, wie eine derartige Kombination dennoch möglich ist. Entscheidend ist dabei der Aspekt der Dezentralisierung und so stellt sich nun die Frage, ob dieser Aspekt noch weiter ausgeschöpft werden kann.

Das Konzept der Smart Particles

Die Idee der Smart Particles besteht darin, das Multi-Agenten-System von SWARM, das auf einer Interaktion von Layoutmodulen beruht, noch feiner zu granularisieren. Statt Modulen, die selbst schon ganze Teilschaltungen repräsentieren, sollen nun buchstäblich elementare Layoutkomponenten (z.B. primitive Bauteile, Leiterzüge, ja sogar einzelne Leiterzugsegmente) als eigenintelligent autonome Agenten umgesetzt werden. Derartige "Elementarteilchen" realisieren erstmals eine durchgängige Interaktion einzelner Layoutkomponenten von der alleruntersten Entwurfsebene an. Hierdurch wird der heutige –von manueller Entwurfsarbeit geprägte– Layoutentwurfsfluss revolutioniert.

Nutzen

Layoutexperten werden zunehmend von kleinteiliger Handarbeit entlastet und können sich eher auf strategische Entwurfsentscheidungen konzentrieren. Über die in den Smart Particles dezentral abgebildete Intelligenz und Autonomie wird nicht nur die Entwurfsproduktivität, sondern auch die Entwurfsqualität signifikant gesteigert, da Entwurfsanforderungen auf allen Ebenen automatisch berücksichtigt werden. Ein besonderer Vorteil dieses Ansatzes ist, dass Smart Particles laufend in den bestehenden Entwurfsfluss eingebracht werden können und diesen so stetig verbessern. Langfristig soll ein Layout in der Lage sein, wie ein zusammengehöriger Organismus auf manuelle Eingriffe des Layoutexperten zu reagieren und sich adaptiv an die neue Situation anzupassen.

Beispiele

Beispiele für potenzielle Smart Particles:

  • Smart Wire-Segment passt seine Breite automatisch an den zu tragen Strom an (danebenliegende Smart Particles wandern dann zur Seite und arrangieren sich neu),
  • Smart Via folgt autonom dem Kreuzungspunkt zweier bewegter Leiterzugsegmente,
  • Smart Transistor faltet sich selbständig gemäß seinem verfügbaren Platz,
  • Smart Guardring passt sich dynamisch seinem veränderten Layoutinhalt an,
  • Smart Body-Contact erzeugt sich selbst wenn Substratanbindung nicht ausreicht.