AUTOMATIC ANALOG CIRCUIT TOPOLOGY SYNTHESIS

Načrtovanje analognih vezij je dolgotrajen proces, ki zahteva vso pozornost izkušenega razvijalca. Že desetletja velja, da načrtovalcu vezja v izdatni meri pomagajo namenske računalniške metode. Delo načrtovalca je tako rekoč revolucionaliziral simulator SPICE, ki uporabniku omogoča, da mu ob vsakokratni spremembi zasnove vezja ni potrebno ponavljati kompleksnih izračunov. Namesto njega namreč izračune z izjemno hitrostjo opravi računalnik. Z zaostrovanjem načrtovalskih zahtev, pomanjkanjem inženirjev ter vse krajšimi časovnimi roki je računalniška znanost razvijalcem pomagala z novim orodjem - parametrsko optimizacijo. S tem avtomatičnim postopkom je mogoče numerične parametre vezja (upornost, kapacitivnost ter širino in dolžino vrat tranzistorjev) nastaviti tako, da lahko z dano konfiguracijo elementov (topologijo) zagotovimo kar najboljše karakteristike vezja. Občasno pa se izkaže, da kljub optimizaciji parametrov ne izpolnimo zahtevanih karakteristik. V takem primeru je potrebno izbrati drugo topologijo ali razviti novo, ki bo ustrezala danim zahtevam. Iz tega sledi naslednji logični korak v razvoju metod za računalniško načrtovanje vezij. V tej doktorski disertaciji razvijemo postopek, s pomočjo katerega omogočimo tako avtomatsko sintezo topologije kot tudi parametrov analognega vezja. Na podlagi visoko nivojske zahteve o delovanju vezja (želeno ojačanje, dušenje, pasovna širina in podobno) se odvija evolucijski proces, ki topologijo ter parametre vezja spreminja v smeri končne rešitve, hkrati pa strogo upošteva omejitve, ki smo jih določili ob začetku. V tej doktorski disertaciji sprva raziščemo prednosti ter pomanjkljivosti nekaterih že obstoječih pristopov k avtomatski sintezi. Eden glavnih problemov obstoječih načinov je napihovanje, torej nebrzdana rast topologije tekom sinteze, s pomočjo katere poskušamo zadostiti vsem zahtevam. Zato je eden izmed izzivov pri razvoju orodij za avtomatsko sintezo oblikovanje računalniške predstavitve topologije, ki bo omogočala velik iskalni prostor, po drugi strani pa bo zapis omejevala pred napihovanjem. V disertaciji poleg matričnega zapisa povezav razvijemo tudi operatorje, s pomočjo katerih topologijo spreminjamo po principih izmenjave genskega zapisa. Zapis topologije, ki ga predstavimo, lahko kot gradnike vezja uporablja tako osnovne elektronske elemente kot tudi podvezja s poljubnim številom priključkov. Sistematično preizkušanje prav vseh medsebojnih topoloških kombinacij električnih gradnikov bi bilo z obstoječo strojno opremo časovno neizvedljivo. Zato za iskanje po prostoru rešitev uporabimo algoritem po zgledu naravne evolucije, ki vezje razvije v primernih časovnih okvirjih. Predstavimo dva različna pristopa k evolucijskemu razvrščanju osebkov, in sicer eno- ter večkriterijskega. Enokriterijsko razvrščanje se izkaže za uspešno pri sintezi enostavnejših vezij, z večkriterijskim pa uspemo ustvariti tudi zahtevnejša vezja. Z večkriterijskim razvrščanjem dosežemo dobro raznolikost osebkov v populaciji, kar zmanjša možnosti, da postopek konca v lokalnem minimumu. Ker pri topologijah z več elementi število numeričnih parametrov naraste, za njihovo ustrezno nastavitev uporabimo metodo PSADE, ki deluje kot pospeševalec konvergence. Predstavimo tudi kombinirano metodo, sestavljeno iz NSGA-II ter PSADE, s katero uravnoteženo skrbimo tako za raznolikost populacije kot tudi hitro konvergenco. Evolucijski algoritem je v našem delu zastavljen tako, da je mogoče izboljšati že obstoječe vezje, obenem pa iznajti vezje, sestavljeno zgolj iz naštetih elektronskih gradnikov. Za ustrezno ocenjevanje osebkov (vezij) v evolucijski populaciji razvijemo nove kriterijske funkcije, ki v prvi vrsti vodijo razvoj topologije, obenem pa tudi vezja kot celote. Uspešnost našega pristopa predstavimo na avtomatski sintezi pasivnih in aktivnih sit ter napetostne reference za tehnologijo BiCMOS. Predstavljena metoda še ne nadomešča dragocenih izkušenj načrtovalca vezij, lahko pa njegovo delo znatno pospeši ter pomaga pri razvoju novih načrtovalskih idej.Analog circuit design is a time-consuming process, demanding full attention of an experienced designer. For decades, various computer methods have aided circuit designers in their everyday work. The design process was revolutionized with the apperance of the SPICE simulator, which takes care of complex numerical calculations in order to predict the actual circuit behaviour. Before SPICE, all the calculations had to be carried out by the designer manually.Motivated by ever-increasing demands on circuit performance, lack of capable engineers, and tightening deadlines, computer science has developed an aiding tool called parameter optimization,which has been used eectively in a designer’s workow. This automated procedure is capable of nding optimal numerical parameters (such as resistance, capacitance, transistor gate width and length) for given conguration of elements (i. e. , topology). However, parameter optimization alone is often not enough to meet all the design criteria. In this case, a designer has to choose another topology or design a new one to full the requirements. This calls for the next logical step in developing methods for computer-aided circuit design. In this doctoral thesis,we developed a method capable of automated synthesis of both, the topology aswell as parameters of analog electrical circuit. Based on a high-level circuit behaviour description (such as desired gain, damping, or bandwidth), we employ an evolutionary process to explore the topology and parameter space. The method nds the solution within the boundaries set at the beginning. In the dissertation, we rst discuss existing solutions for automated circuit synthesis, highlighting their advantages and drawbacks. One of the known problems of most existing techniques is bloat, an uncontrolled growth of the evolving circuit. One of the main challengeswhen designing a tool for automated circuit synthesis is therefore developing a circuit topology representation that will allow large enough search space while limiting bloat as much as possible. In this thesis, we propose a circuit representation in a form of a connection matrix. We developed operators for topology modication, based on the idea of genetic material exchange. Our topology description allows topology buildingblocks to be either simple two-pole electrical elements or elaborate subcircuits with multiple connection terminals (or both).Abrute-force exploration of all possible topologies combining even the smallest of sets of building-blocks is infeasible even using the most state-of-the-art computer hardware. We developed an algorithm based on the principles of natural evolution in order to nd the solution within a limited time budget. We utilize two methods to discriminate the individuals among each other, single- and multi-objective sorting. Single-objective sorting proved to be successful for synthesis of simple circuits, while multi-objective sorting was necessary to successfully develop more complex topologies. Using multi-objective sorting, population diversity is maintained automatically, with much less chance of the method to stuck in a local minimum. When we design topologies with a large number of numerical parameters, we use an additional parameter optimization method PSADE to nd even more optimal values of these parameters. We developed a novel combined technique, based on theNSGA-II multi-objective sorting method and the PSADE parameter optimizer. This combination proved successful in maintaining a good balance between the population diversity on one hand and convergence speed at the other. Our hybrid algorithm is able to improve an existing topology or it can invent a circuit from scratch. We also had to develop appropriate cost functions capable of steering the evolution towards a successful topology as well as helping to tune the numerical parameters. We successfully tested our approach by synthesizing the lters (both passive and active) and a voltage reference for BiCMOS technology. Although the proposed method does not entirely replace an experienced human designer, it can signicantly speed up his/her work and helps to explore new design ideas