Zuverlässigere Chip-Designs Neue Methoden automatisieren den Entwurf integrierter Schaltungen

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Problematische Effekte bei der Chipentwicklung zu berücksichtigen und zu verstehen – das war die Grundidee einer Dissertation am IMMS. Dazu werden Parameter und Strukturen gezielt verändert.

Chips in jedem Smartphone oder einer IoT-Anwendung werden trotz Electronic Design Automation (EDA) zum Teil manuell entworfen und anschließend simuliert. Fehlerursachen werden anhand von Erfahrungen gesucht und beseitigt, bevor die teure und zeitaufwändige Halbleiterfertigung beginnt. Das wollte Georg Gläser ändern. Der Spezialist für die Integration von KI-Methoden in die Entwurfsautomatisierung am IMMS beschäftigte sich in seiner Dissertation „Invasive and Parametric Simulation Methods for Integrated Circuit Analysis“ mit der Unterstützung der Fehlersuche durch EDA-Methoden.

Die Grundidee seiner Arbeit ist es, automatisierte Modellverfeinerungen für den Entwurf integrierter Schaltungen zu nutzen, um problematische Effekte einzubeziehen und zu verstehen. Dies wird durch gezielte Änderungen von Parametern und Strukturen erreicht, mit denen bisher unbekannte Informationen über eine integrierte Schaltung gefunden, zusammengeführt und zur Verbesserung des Schaltungsentwurfs genutzt werden können. Alle Methoden wurden in Chipentwicklungen des IMMS erprobt.

Simulation und Verifikation analoger und analog-digitaler integrierter Schaltungen

„Im Chip-Entwurf kommen Probleme oft erst sehr spät zum Vorschein. Das kann beispielsweise erst beim Layout sein, also dem Bauplan, der am Ende für die Fertigung entwickelt wird. Dann stellt man im Extremfall auf einmal fest, dass Leitungen zu nah beieinander liegen und durch Übersprechen die Performance beeinträchtigen oder im Zusammenspiel mit anderen Effekten einen Chip sogar zerstören können“, erklärt Georg Gläser.

Um Fehlerursachen vom einzelnen Transistor, von denen Millionen in einer Schaltung enthalten sein können, bis zum komplexen Gesamtsystem Entwurfsebene für Entwurfsebene durchzuspielen, brauche es viel Zeit, da all diese Ebenen im Detail mit Modellen zu beschreiben und zu simulieren seien, sagt Georg Gläser weiter. „Das Hauptproblem ist aber, dass die Modelle bislang viele Effekte gar nicht zeigen können. Denn oft arbeitet man mit vereinfachten Makromodellen, die Rauschen, parasitäre Kopplungen oder ungünstige Effekte tieferliegender Entwurfsebenen in der Regel nicht abbilden.“

Hier halfen bislang oft nur Erfahrungen weiter. Vorhandene Methoden setzen meist auch auf nur einer Entwurfsebene an. Zudem werden die Systeme und somit die dafür notwendigen Simulationen immer komplexer, da immer mehr Funktionalität und somit Schaltungselemente auf möglichst immer kleinerer Chip-Fläche untergebracht werden sollen.

Methoden liefern mehr Wissen zur Schaltung

Die Methoden ermöglichen es, störende Effekte in die Modelle zu integrieren, um sie in komplexeren Simulationsszenarien abbilden zu können. Zum anderen liefern sie Erkenntnisse darüber, in welchen Bereichen die Modelle, Schaltungen und Systeme funktionieren und wo nicht. Darüber hinaus ist es mit den Methoden möglich, die Entwurfsunsicherheiten früh abzuschätzen und Iterationen im Entwurf und damit Kosten zu verringern.

Eine Methode, die Symmetriesuche für parasitäre Elemente, lieferte unter anderem für die Entwicklung eines Kontaktbildsensor-Chips am IMMS nach lediglich sechs Stunden Rechenzeit 223 mögliche Problemstellen als Ergebnis, die man sonst hätte von Hand finden müssen. Eine weitere Methode zum Aufzeigen von problematischen Kopplungen im Layout wurde schon vor Veröffentlichung der Dissertation industriell von Partnern des IMMS erfolgreich eingesetzt.

In der Dissertation werden fünf Methoden vorgestellt, die auf jeder Entwurfsebene bzw. am Übergang zur nächsten einsetzbar sind. Das ist im Vergleich zu anderen Arbeiten, die sich meist auf eine Ebene im Entwurfsprozess beschränken, ein deutlicher Vorteil. Beispielhaft werden hier einige beschrieben.

Invasive Analyse erkennt unberücksichtigte Effekte

In der Arbeit lassen sich über eine invasive Analyse Systemmodelle dynamisch anpassen, um Erkenntnisse über mögliche oder vorhandene Störeinflüsse zu erhalten, wie Verkopplungen von Leitungen. Das dafür entwickelte Framework mit mehreren 10.000 Code-Zeilen ist für sehr komplexe Systeme geeignet und kann den Programmcode von Verhaltensmodellen analysieren, die Modelle entsprechend anpassen und den Simulator ansprechen. Zum Beispiel werden auf diesem Weg parasitäre Elemente eingefügt bzw. entfernt oder Prüf- und Beobachtungsmodule eingesetzt.

Viele Probleme sind oft erst im Layout sichtbar. Das ist, wenn Kopplungen durch nah beieinander liegende Leitungen entstehen und somit Signalwege ermöglichen, die ungewünschte Effekte zur Folge haben. Bislang geschieht eine Fehlersuche nach dem Layout per Trial and Error mit vielen manuellen Simulationen, um zu erkennen, woher der Fehler kommt, teilweise auch mit statistischen Methoden. Eine Systematik für die Analyse von Mixed-Signal-Systemen vor dem Layout fehlte.

Der Ansatz über die Symmetrie

Ausgangspunkt des neuen Ansatzes der Symmetrieanalyse ist, dass Symmetrie ein Kernkonzept im Schaltungsentwurf selbst ist. Die Idee dahinter ist, störende Betriebsbedingungen zu finden, die symmetrisch sind, sich daher gegenseitig aufheben und somit aus der weiteren Fehlersuche eliminiert werden können, ähnlich wie bei Kopfhörern mit Active Noise Cancelling, die Störgeräusche mit genau entgegengesetzten Signalen gleicher Stärke aufheben können, damit sie nicht mehr als störend empfunden werden.

Um diese Störgrößen, die im Schaltplan nicht vorhanden sind, trotzdem mit der Methode abbilden und analysieren zu können, wird die Methode der Akzeptanzregionen genutzt. Mit ihr können Symmetrien sichtbar gemacht und als Grundlage für den Suchalgorithmus hergeleitet werden. Dahinter stecken komplexe Algorithmen, die alle möglichen Symmetriepaare mit maximalen Werten untersuchen. Die Methode klassifiziert den Parameterraum in Segmente, die zeigen, wo das System funktioniert und wo nicht. Der Vorteil der Methode ist, dass man das Layout nicht kennen muss.

Grundlage zur Erforschung KI-basierter Entwurfs- und Testautomatisierung

Dass die Arbeit ein wichtiger Beitrag auf dem Weg zu weiteren Entwurfsautomatisierung von analogen und Mixed-Signal-Schaltungen ist, neue Optimierungspotenziale im Schaltungsentwurf erschließt und den Stand der Technik in der EDA maßgeblich erweitert, wurde Georg Gläser bereits bei der Verleihung des EDA Achievement Awards durch das Edacentrum lange vor der Einreichung seiner Dissertation bescheinigt.

Dem könne sich Prof. Dr.-Ing. Ralf Sommer uneingeschränkt anschließen. Der Doktorvater von Georg Gläser und wissenschaftliche Geschäftsführer des IMMS sowie Leiter des Fachgebiets Elektronische Schaltungen und Systeme an der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik der Technischen Universität Ilmenau fügt hinzu: „Georg Gläser hat mit seinen Methoden auch die Weichen für die Forschung zu KI-basierter Entwurfs- und Testautomatisierung am IMMS gestellt, die er maßgeblich prägt und für die er in den letzten Jahren systematisch ein Expertenteam aufgebaut hat, um das Thema weiter voranzutreiben.“ Auch seien unter seiner Federführung Forschungsgruppen und -projekte zum Know-how-Ausbau auf diesem Gebiet akquiriert und bearbeitet sowie auf dieser Grundlage ein Dienstleistungsangebot für die methodische Unterstützung von Industriekunden aufgebaut worden.

Zudem habe er weitere Dissertationen auf dem Gebiet in seinem Team angestoßen, die sehr vielversprechend seien, so Sommer weiter. „Wir sind gespannt, was die Zukunft bringt. Georg Gläser hat einen großen Beitrag geleistet, auf den wir sehr stolz sind.“

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