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After more than three decades of electronic design automation, most layouts for analog integrated circuits are still handcrafted in a laborious manual fashion today. This book presents Self-organized Wiring and Arrangement of Responsive Modules (SWARM), a novel interdisciplinary methodology addressing the design problem with a decentralized multi-agent system. Its basic approach, similar to the roundup of a sheep herd, is to let autonomous layout modules interact with each other inside a successively tightened layout zone. Considering various principles of self-organization, remarkable overall solutions can result from the individual, local, selfish actions of the modules. Displaying this fascinating phenomenon of emergence, examples demonstrate SWARM’s suitability for floorplanning purposes and its application to practical place-and-route problems. From an academic point of view, SWARM combines the strengths of procedural generators with the assets of optimization algorithms, thus paving the way for a new automation paradigm called bottom-up meets top-down.
Optimization-based design automation for analog ICs still remains behind the demands. A promising alternative is given by procedural approaches such as parameterized generators, also known as PCells. We are working on a complete analog design flow based on parameterized generators for entire circuits and corresponding layout modules. Because the conventional programming of such enhanced generators is far too complicated and costly, new methods are needed to ease their development. This paper presents gPCDS (graphical PCDS), a novel tool for a designer-oriented development of schematic module generators, integrated into a common schematic entry environment. The tool is based on PCDS (Parameterized Circuit Description Scheme), a meta-language for the creation of parametrized analog circuits. Schematic module generators are a very desirable complement to layout module generators in order to achieve a seamless schematic- driven layout design flow on module level. By facilitating a way of generator development that matches a design expert’s mentality, gPCDS contributes to close this gap in the analog design flow.
In diesem Artikel wird ein neu entwickeltes Werkzeug zur Dimensionierung von Bonddrähten im ASIC-Entwurf vorgestellt. Die Berücksichtigung aller Einflussfaktoren erlaubt eine gegenüber Handrechnungen optimierte Auslegung der Bondanordnung. Dies ermöglicht zum einen die Absicherung gegen Degradationseffekte bis hin zum Durchbrennen und garantiert so die Zuverlässigkeit über die gesamte Lebensdauer. Zum anderen wird eine aus Zuverlässigkeitserwägungen resultierende Überdimensionierung vermieden.
Das Werkzeug erlaubt die Kalkulation aller für die Auslegung von Bonddrähten relevanten Parameter. Je nach Kontext der Aufgabenstellung lassen sich die Stromtragfähigkeit für Dauerstrom oder Pulsstrombelastung, kritische Temperaturen oder die maximale Bonddrahtlänge als Ausgabegrößen berechnen. Durch diese Flexibilität und die benutzerfreundliche Integration in eine industrielle Entwicklungsumgebung ist der „Bond-Rechner“ im gesamten Entwurfsverlauf einsetzbar und leistet wertvolle Hilfestellung von ersten Abschätzungen in frühen Entwurfsphasen bis hin zur abschließenden Verifikation.
Im Bereich integrierter Schaltungen (ICs) für die Fahrzeugelektronik ist in den letzten Jahren ein Trend zum Einsatz komplexer Mixed-Signal-Komponenten erkennbar. Dies führt dazu, dass ein altes Problem zunehmend in den Fokus der EDA-Entwickler rückt: Während der digitale Entwurfsfluss hoch automatisiert ist, findet der Entwurf analoger Komponenten überwiegend in einem manuellen, zeitaufwändigen und interaktiven Entwurfsstil statt. Die folgende Arbeit beschreibt ein Konzept, diesen Mangel mit Hilfe eines durchgängigen analogen Entwurfsflusses unter Verwendung so genannter Modul-Generatoren zu mildern. Der vorgestellte Ansatz zur Erzeugung von Schaltkreis-Automatismen berücksichtigt die implizite Nutzung von Erfahrungswissen des Designers, bietet eine volle Topologie-Flexibilität und steigert die Wiederverwendung („re-use“) gängiger Schaltungstopologien. Die erreichten Zwischenergebnisse lassen einen erheblichen Nutzen erkennen und zeigen das Potenzial sogenannter „Parametrisierter Schaltkreise“ auf, den Automatisierungsgrad des analogen Schaltungsentwurfs zu steigern.
Ein praktikables Mittel zur Erhöhung des Automatisierungsgrads im analogen IC-Entwurf ist die Verwendung parametrisierter Zellen. Diese sogenannten pCells werden eingesetzt, um determinierte Layouts automatisch zu erzeugen, und zwar in der Regel für einzelne Bauelemente wie Transistoren oder Dioden. Der vorliegende Beitrag zeigt die Potenziale eines erweiterten pCell-Konzepts, mit dem determinierte Layouts als auch Schaltpläne für ganze Schaltungsmodule automatisch generiert werden können. Als Beispiel wird eine solche Modul-pCell für analoge Stromspiegel beschrieben, die nicht nur die Dimensionierung der Einzeltransistoren, sondern auch verschiedene Transistortypen, beliebige Spiegelverhältnisse und sogar mehrere Topologien sowie weitere Freiheitsgrade implementiert. Das dadurch erzielte Maß an Flexibilität erlaubt es, die zahlreichen schaltungstechnischen Varianten im Analogbereich abzudecken, die ansonsten oftmals Hürden für Automatisierungsansätze darstellen.
After more than three decades of electronic design automation, most layouts for analog integrated circuits are still handcrafted in a laborious manual fashion today. Obverse to the highly automated synthesis tools in the digital domain (coping with the quantitative difficulty of packing more and more components onto a single chip – a desire well known as More Moore), analog layout automation struggles with the many diverse and heavily correlated functional requirements that turn the analog design problem into a More than Moore challenge. Facing this qualitative complexity, seasoned layout engineers rely on their comprehensive expert knowledge to consider all design constraints that uncompromisingly need to be satisfied. This usually involves both formally specified and nonformally communicated pieces of expert knowledge, which entails an explicit and implicit consideration of design constraints, respectively.
Existing automation approaches can be basically divided into optimization algorithms (where constraint consideration occurs explicitly) and procedural generators (where constraints can only be taken into account implicitly). As investigated in this thesis, these two automation strategies follow two fundamentally different paradigms denoted as top-down automation and bottom-up automation. The major trait of top-down automation is that it requires a thorough formalization of the problem to enable a self-intelligent solution finding, whereas a bottom-up automatism –controlled by parameters– merely reproduces solutions that have been preconceived by a layout expert in advance. Since the strengths of one paradigm may compensate the weaknesses of the other, it is assumed that a combination of both paradigms –called bottom-up meets top-down– has much more potential to tackle the analog design problem in its entirety than either optimization-based or generator-based approaches alone.
Against this background, the thesis at hand presents Self-organized Wiring and Arrangement of Responsive Modules (SWARM), an interdisciplinary methodology addressing the design problem with a decentralized multi-agent system. Its basic principle, similar to the roundup of a sheep herd, is to let responsive mobile layout modules (implemented as context-aware procedural generators) interact with each other inside a user-defined layout zone. Each module is allowed to autonomously move, rotate and deform itself, while a supervising control organ successively tightens the layout zone to steer the interaction towards increasingly compact (and constraint compliant) layout arrangements. Considering various principles of self-organization and incorporating ideas from existing decentralized systems, SWARM is able to evoke the phenomenon of emergence: although each module only has a limited viewpoint and selfishly pursues its personal objectives, remarkable overall solutions can emerge on the global scale.
Several examples exhibit this emergent behavior in SWARM, and it is particularly interesting that even optimal solutions can arise from the module interaction. Further examples demonstrate SWARM’s suitability for floorplanning purposes and its application to practical place-and-route problems. The latter illustrates how the interacting modules take care of their respective design requirements implicitly (i.e., bottom-up) while simultaneously paying respect to high level constraints (such as the layout outline imposed top-down by the supervising control organ). Experimental results show that SWARM can outperform optimization algorithms and procedural generators both in terms of layout quality and design productivity. From an academic point of view, SWARM’s grand achievement is to tap fertile virgin soil for future works on novel bottom-up meets top-down automatisms. These may one day be the key to close the automation gap in analog layout design.
While digital IC design is highly automated, analog circuits are still handcrafted in a time-consuming, manual fashion today. This paper introduces a novel Parameterized Circuit Description Scheme (PCDS) for the development of procedural analog schematic generators as parameterized circuits. Circuit designers themselves can use PCDS to create circuit automatisms which capture valuable expert knowledge, offer full topological flexibility, and enhance the re-use of well-established topologies. The generic PCDS concept has been successfully implemented and employed to create parameterized circuits for a broad range of use cases. The achieved results demonstrate the efficiency of our PCDS approach and the potential of parameterized circuits to increase automation in circuit design, also to benefit physical design by promoting the common schematic-driven-layout flow, and to enhance the applicability of circuit synthesis approaches.
Im Vergleich zum digitalen Layoutentwurf weist der analoge Layoutentwurf einen wesentlich geringeren Automatisierungsgrad auf. Dies gilt insbesondere für den Layoutentwurf von Hochfrequenzschaltungen, wo Einflüsse der lokalen Layoutumgebung besonders zu berücksichtigen sind. Bei dieser sog. Kontextabhängigkeit geraten sowohl Optimierungsalgorithmen als auch herkömmliche Generatoransätze schnell an Grenzen. In dieser Arbeit wird eine funktionale Erweiterung des bekannten Generatorprinzips eingesetzt, die es erlaubt, Informationen aus der Layoutumgebung der Instanz in die Layoutgenerierung einzubeziehen. Mit dieser sog. kontextbasierten PCell gelingt die Automatisierung konkreter, bisher nur manuell lösbarer Probleme des Layoutentwurfs von Hochfrequenzschaltungen. Die Arbeit zeigt das Potential kontextbasierter PCells für die weitere Steigerung des Automatisierungsgrades im analogen Layoutentwurf.