Noch mehr Analytik und Designeffizienz – Die Evolution der CR-Designtools von Zuken

Die CR-Serie ist ein interessantes Beispiel für die jahrzehntelange kontinuierliche Entwicklungsarbeit des international tätigen Unternehmens. Die jüngere Designergeneration wird vielleicht nicht wissen, dass die Automatisierungslösung für das Elektronikdesign CR-8000 eine fast fünf Jahrzehnte lange Vorgeschichte aufweist. Die im Jahr 2011 vom japanischen EDA-Anbieter Zuken (Firmenhauptsitz Yokohama) herausgebrachte PCB-Design- Suite hat bereits mehrere Vorgänger aufzuweisen:

• Die Serie CR-2000 (Kurzform für CREATE-2000) erschien 1978, zwei Jahre nach der Gründung von Zuken, und war für PCs der HP-1000-Serie bestimmt, die wiederum auf 16-Bit-CPUs basierten
• Die Serie CR-3000 wurde 1988 freigegeben und nutzte Unix zur Leiterplattenerstellung mittels CAD/CAM
• Die Serie CR-5000 folgte 1994, lief schon auf Unix, Linux, Windows und schloss das Data Management System PDM-5000 ein. Sie wurde entwickelt, um komplexe Designanforderungen zu erfüllen, die die Verwaltung des gesamten Entwicklungs- und Fertigungsvorbereitungsprozesses auf unternehmensweiter Ebene beinhalten.

Erwähnenswert ist noch, dass CR-5000 faktisch die vierte Generation an EDA-Werkzeugen ist, berücksichtigt man CREATE1000, welches ursprünglich von Zukei-Gijutsu-Kenkyusho (japanisch für ‚Graphisches Technologie- und Forschungslabor') für die PDP-11 entwickelt wurde. Das war ein 1970 eingeführter, in den 1970er Jahren weit verbreiteter 16-Bit-Computer der Digital Equipment Corporation.

Die Hauptsoftware von CR-5000 entstand am Headquarter von Zuken Inc. in Yokohama. Weitere Module wurden im EMC Technology Center von Zuken in Paderborn bereitgestellt, das für seine Forschung an EMV- und SI-Simulationswerkzeugen bekannt war, und im Zuken Technology Center in Bristol, England, das sich auf Routing-Tools konzentrierte [1]. Im Juni 2012 gab es als Letztes noch die Version 14 von CR-5000.

Würde man die genannten Serien im Detail betrachten, könte man feststellen, dass die jeweils neue Serie auf den Erfahrungen mit der vorangegangenen aufbaute und dass auch die Releases innerhalb der jeweiligen Serie immer neue Verbesserungen aufwiesen, ganz in Übereinstimmung mit den Anforderungen, die die ständige Weiterentwicklung der Elektronikbranche (darin die Arbeitsabläufe eingeschlossen) mit sich brachte. Aber nicht nur das: die neuen Serien und ihre Releases konnten sich auf neue Erkenntnisse als auch Möglichkeiten sowohl in der Elektronikindustrie selber (z. B. leistungsfähigere Rechner und Monitore) als auch in anderen Gebieten (z. B. theoretische Elektrotechnik, Programmiertechniken, Datenspeicherungsmethoden) stützen. Ein gutes Beispiel dafür ist die Serie CR-8000.

CR-8000

Das jetzt aktuelle Designwerkeug CR-8000 führte Zuken überlappend mit CR-5000 im Jahr 2011 als dessen Nachfolger ein. Das Tool wurde entwickelt, um den Anforderungen des Multi-Board-Level-Designs gerecht zu werden, weil CR-5000 ursprünglich auf Single-Board-Design ausgerichtet war. Im August dieses Jahres nun kam die neue Version CR-8000 2023 auf den Markt [2]. Sie bietet wiederum eine Fülle von Verbesserungen und Erweiterungen für den gesamten Designprozess und ermöglicht es ihren Anwendern, den weiter zunehmenden Herausforderungen im im High-Density- und High-Speed-PCB-Design erfolgreich gerecht zu werden. Die Geschichte der CR-Serien ist somit einerseits ein Spiegelbild des Vorwärtsschreitens der Elektronik selbst, andererseits aber auch der Veränderungen der Arbeitsmethoden in der Elektronikentwicklung und der Organisation der betrieblichen Arbeitsabläufe. Wie widerspiegelt sich das konkret in der neuen Release 2023?

CR-8000 2023: noch mehr Analytik und Designeffizienz

In dem Maße, wie die ICs immer komlexer werden, ihre Arbeitsspannungen und -ströme weiter sinken, die Komponentendichte auf den Boards infolge der fortschreitenden Miniaturisierung steigt, die Leiterbahnen schrumpfen und dichter beieinander liegen, wächst beispielsweise auch die Gefahr der gegenseitigen Beeinflussung von Schaltungsteilen des Boards. Besonderer Schwerpunkt der Version CR-8000 2023 gilt darum der Aktualisierung und Erweiterung des Angebots an Analysetools für Signalintegrität, Stromversorgungssicherheit und elektromagnetische Verträglichkeit (EMV). Diese Verbesserungen sind nahtlos in das CR-8000 Design Force Analysis Advance-Paket integriert und bieten eine noch bessere Möglichkeit für die erweiterte Analyse von parasitären Effekten bei anspruchsvollen High-Speed Designs. „Das neue CR-8000 Release 2023 ermöglicht es Entwicklern, die ständig steigenden Anforderungen von High-Density- und High-Speed-Leiterplattendesigns zu erfüllen“, schätzte Kazuhiro Kariya, Senior Managing Executive Officer und CTO von Zuken Inc., ein.

Ein anderer Punkt ist, dass die Entwicklungsgeschwindigkeit neuer Elektronikprodukte weiter zunimmt äqivalent zur schrumpfenden Time-to-market. Mit den gezielten Erweiterungen der aktuellen CR-8000-Tool-Suite bietet Zuken seinen Kunden eine umfassende Lösung für die Steigerung der Designeffizienz.

Abb. 1: CR-8000 Release 2023 erweitert die Analysefunktionen für Signalintegrität, Leistungsintegrität und EMV

Leistungsstarke Analysefunktionen

In der Release 2023 von CR-8000 wurden die Werkzeuge zur Signalintegritäts-, Stromversorgungs- und EMI-Analyse zu neuen Paketen zusammengefasst, die eine verbesserte Benutzerinteraktion, MultiCore-CPU-Unterstützung und Kompatibilität mit umfangreichen Datensätzen bieten. Die Signalintegritätsanalyse mit dem Design Force SI Advance-Bundle umfasst Funktionen von der charakteristischen Impedanz bis zur IBIS AMI SerDes-Kanalanalyse. Eine umfassende Analyse auf Systemebene wird durch die Einbeziehung von IBIS-, SPICE- und S-Parameter-Modellen in beiden Domänen gewährleistet.

Die EMI- und Stromversorgungssystem-Analysefunktionen und -Werkzeuge wurden im neuen Design Force PI/EMI Advance-Bundle gebündelt und erweitert. Dieses bietet wichtige Funktionen wie schnelle Abschätzungen, Integritätsfunktionen und eine Reihe von Analysewerkzeugen zur Optimierung von Designs (Abb. 1, 2). Zu den Funktionen gehören auch die Berechnung der Impedanz von IC-Pins, die Bestimmung der Decap-Position und der parasitären Werte sowie die DC-Analyse, die Einbeziehung von Lossy-Transmission-Line-Modellen, die auch die Oberflächenrauhigkeit von Kupfer berücksichtigen, und die Integration von IBIS-, SPICE- und S-Parameter-Modellen. Die Rolle der Oberflächenrauhigkeit für die ordnungsgemäße Funktion von Schaltungen steigt um so mehr an, je höher der zum Einsatz kommende Gigaherzbereich ist und je kleiner die Signalströme sind.

Abb. 2: Vereinfachte Prüfung durch Überprüfung von Impedanzverletzungen in CR-8000 Release 2023

Nutzung von Teilschaltungen bei der Schaltungsentwicklung

Entwickler, die mit dem Engineering-Front-End CR-8000 Design Gateway Release 2023 arbeiten, profitieren jetzt von erweiterten Funktionen zur Wiederverwendung von Designs: Ausgewählte Blätter aus bestehenden Designs und Designvorlagen können als Grundlage für neue Designs verwendet werden (Abb. 3). Es wurden zusätzliche Annotationsebenen eingeführt, in denen detaillierte Anweisungen für den physikalischen Layoutprozess hinterlegt werden können. Aus dem fertigen Design lassen sich vertrauliche Inhalte im Zuge der Generierung der Ausgabedateien für Dritte automatisch entfernen. Zusätzlich wird die Dokumentation durch die Möglichkeit vereinfacht, fertige Schaltungsentwürfe direkt zu kopieren und in Office-Anwendungen weiter zu bearbeiten.

Abb. 3: CR-8000 bietet neue, leistungsstarke Funktionen für eine effiziente Bearbeitung von Multi-Channel-Designs

Effizienzsteigerungen bei Layout und Routing

Die Layout- und Routingproduktivität wurde durch die Möglichkeit der Replizierung von Layout- und Routingmustern in Multi-Channel-Designs im CR-8000 Design Force Release 2023 gesteigert. Diese Funktion erkennt Ähnlichkeiten zwischen Komponenten und Topologiemustern und überträgt eine Master-Instanz automatisch auf die anderen Kanäle. Eine neue interaktive Konturrouting-Funktion passt sich nahtlos an bestehende Muster und Leiterplattenformen an und sorgt für Harmonie und Konsistenz im Design. Die Entflechtung von dichten Multilayer-Designs wird durch ein zusätzliches Fenster unterstützt, in dem der Designer den Verlauf einer Leiterbahn über die verschiedenen Lagen hinweg in einem Querschnitt betrachten kann.

Fazit: Mit den neuen Funktionen in Release 2023 bietet CR-8000 die Möglichkeit, innovative Lösungen zu verwirklichen und gleichzeitig die Qualität des Designs zu steigern. Die neue Version unterstreicht das Engagement von Zuken, Anwendern Werkzeuge in die Hand zu geben, die die Herausforderungen des komplexen Elektronikdesigns vereinfachen.

Wie weit spielt KI bereits eine Rolle?

In der ‚Plus' 9 - 11/2021 befasste sich der Autor in einem mehrteiligen Beitrag unter dem Titel ‚Künstliche Intelligenz wird die Elektronikindustrie nachhaltig verändern' mit Forschungs- bzw. Entwicklungsarbeiten in den USA, in Indien und Europa, die den Einsatz von künstlicher Intelligenz (KI, engl. AI) in der Elektronikentwicklung und -produktion zum Inhalt haben. Dort wurde auch das deutsche BMBF-Förderprojekt progressivKI vorgestellt, welches vom 1. April 2021 bis zum 31. März 2024 läuft (Förderkennzeichen: 19A21006A-R). Das Vorhaben hat einen langen Projekttitel: Unterstützung der Entwicklung von effizienten und sicheren Elektroniksystemen für zukünftige Kfz-Anwendungen mit automatisierten Fahrfunktionen mittels einer modular strukturierten KI-Plattform. Am Projekt sind 18 Projektpartner und vier weitere Forschungspartner beteiligt. Die Projektkoordinierung liegt bei der Robert Bosch Car Multimedia GmbH, das Projektmanagement bei der edacentrum GmbH [3].

Als einer der Industriepartner schloss sich Zuken mit dem Entwicklungsstandort EMC-Technology Center in Paderborn dem Projekt an [4]. Weil das Förderprojekt nun schon das dritte Jahr läuft, steht durchaus die Frage im Raum, ob in der CR-8000 Release 2023 bereits erste Ergebnisse der Arbeit von Zuken zur Einbeziehung von KI-Elementen in die Designarbeit zu erwarten sind. Tatsächlich lassen bestimmte Passagen der Pressemitteilung des Unternehmens dieses vermuten, insbesondere wenn es um die Analyse von PCB-Strukturen und die Reuse-Frage geht [4].

Eine Antwort darauf, was KI im Leiterplattendesign vermag und wie weit Zuken Elemente des KI bereits in CR-8000 Release 2023 einsetzt, ist [4] zu entnehmen.

Ein Chatbot gibt Antworten

In [4] greift Kyle Miller, Technology R&D Manager im Zuken Technical Center in Bristol UK, zu einem Trick, um das zu klären. Er stellt einem Chatbot (ChatGPT) u. a. folgende Fragen:

1. Wie kann KI beim PCB-Design helfen?
2. Ist KI heute schon ausgereift genug, um PCB-Designer effizient zu unterstützen?
3. Ist Ihnen bekannt, dass Zuken zu den Vorreitern im Bereich des KI-gestützten PCB-Designs gehört?

Nicht nur der Autor dieses Berichtes, sondern auch Kyle Miller war wohl beeindruckt, welche Informationstiefe heute ein Chatbot, also die künstliche Intelligenz selbst, bereits zu technischen Fragen leisten kann. Nachfolgend also Auszüge aus den Antworten in [5]:

Die erste Frage, wie KI beim PCB-Design helfen kann, wird so beantwortet:

ChatGPT:Künstliche Intelligenz (KI) kann beim Design von Leiterplatten (PCB) helfen, indem sie Aufgaben automatisiert, die Effizienz steigert, Fehler reduziert und innovative Designlösungen unterstützt. Einige Beispiele für KI-gestützte Aufgaben im Leiterplattendesign sind:

• Optimierung der Bauteilplatzierung
• Optimierung des Routings und Reduzierung der Leiterbahnlängen
• Signalintegritätsanalyse und -vorhersage
• Analyse des dynamischen Spannungsabfalls
• DFM-Prüfungen (Design for Manufacturability)
• Überprüfung von Designregeln und Korrektur von Verstößen
• 3D-Visualisierung und interaktive Platzierung
• Fehlerprognose und -analyse auf der Grundlage maschinellen Lernens.

Durch den Einsatz von KI können Leiterplattendesigner demnach die Entwicklungszeit verkürzen, die Designqualität verbessern und innovative Designs mit erhöhter Funktionalität erstellen.

Die zweite Frage, ob KI heute schon ausgereift genug ist, um PCB-Designer effizient zu unterstützen, ergibt folgendes:

ChatGPT: Die KI-Technologie zur Unterstützung des Leiterplattendesigns befindet sich noch in einem frühen Entwicklungsstadium und ist noch nicht ganz ausgereift. Zwar können KI-Algorithmen bestimmte Aufgaben wie die Optimierung der Bauteilplatzierung und die Überprüfung von Designregeln mit guten Ergebnissen durchführen, aber es gibt immer noch Einschränkungen und Schwierigkeiten, die gelöst werden müssen. Zu diesen Einschränkungen zählen:

• Ein eingeschränktes Verständnis der komplexen Entwurfsregeln und -beschränkungen, was zu suboptimalen Ergebnissen führen kann
• Mangel an Daten zum Trainieren von KI-Algorithmen für neue und spezielle Designaufgaben
• Integration in bestehende Entwurfswerkzeuge und Arbeitsabläufe, mit der Folge eines fragmentierten Entwurfsprozesses
• Begrenzte Fähigkeit, Ausnahmen und unvorhergesehene Szenarien zu behandeln.

Die KI-Technologie im Bereich des Leiterplattendesigns macht rasche Fortschritte und hat das Potenzial, den Designprozess in Zukunft erheblich zu beeinflussen.

Die Antwort auf die dritte Frage, ob bekannt ist, dass Zuken zu den Vorreitern im Bereich des KI-gestützten PCB-Designs gehört, wurde zwar etwas Allgemein von ChatGPT „abgearbeitet“, enthält jedoch auch Hinweise zu CR-8000:

ChatGPT: Zuken ist ein Unternehmen, das Softwarelösungen für die Automatisierung des elektronischen Designs (EDA) anbietet und im Bereich des KI-gestützten PCB-Designs tätig ist. Das Angebot von Zuken in diesem Bereich umfasst eine Reihe von Software-Tools und -Lösungen, die Ingenieure bei der Entwicklung und Verifizierung von Leiterplatten unterstützen.

Eines der Angebote ist die CR-8000 Design Force, eine Plattform für anspruchsvolles PCB-Design und Systemintegration, die KI und maschinelles Lernen nutzt, um Designaufgaben zu automatisieren und den Designprozess zu optimieren. Die Plattform bietet Funktionen wie die automatische Platzierung von Bauteilen, die Überprüfung von Designregeln in Echtzeit und 3D-Visualisierung.

Die KI-basierten Angebote von Zuken im Bereich des Leiterplattendesigns zielen darauf ab, die Effizienz und Genauigkeit des Designprozesses zu erhöhen, Fehler und Designiterationen zu reduzieren und die Designqualität insgesamt zu verbessern. Der Fokus des Unternehmens auf KI-basierte Lösungen spiegelt den wachsenden Trend zum Einsatz von KI und maschinellem Lernen in der EDA-Branche wider.

Die Antwort von ChatGPT kann so ergänzt werden, dass Zuken seit mehreren Jahren aktiv an der Erforschung und Implementierung von KI-basierten Funktionen in seiner Leiterplattendesignumgebung arbeitet.

Fazit: Es gibt in der Tat eine Reihe von Einsatzmöglichkeiten für KI, die dazu beitragen können, Routineaufgaben beim PCB-Design effizienter zu erledigen, Fehler zu vermeiden und möglicherweise die Grenzen der Physik zu erweitern. Die Technologie befindet sich jedoch noch in einem frühen Entwicklungsstadium, wobei Fortschritte im Bereich der Datenerfassung (Aufbau einer Datenbank mit Referenzdesigns) und bei der Erfassung der immer komplexer werdenden Designregeln, die beim Leiterplattendesign zu beachten sind, erzielt werden müssen. Vor Zuken liegt also noch ein steiniger Weg. Aber immerhin ist ein Anfang gemacht. In Abbildung 4 gibt das Unternehmen einen Blick in die Zukunft: Zukens Ansatz für KI im PCB-Design.

Abb. 4: Zukens Ansatz für KI im PCB-Design (Abb. 1-4: Zuken)

Auf die Zusatzfrage, ob der Chatbot in der Lage ist, Vorhersagen über die Zukunft der KI im PCB-Design zu treffen, wurde geantwortet:

ChatGPT: Ein Fehler ist aufgetreten. Wenn dieses Problem weiterhin besteht, kontaktieren Sie uns bitte über unser Help Center unter help.openai.com.

Da ChatGPT keine Antwort auf die Frage nach der Zukunft der KI im Leiterplattendesign geben konnte, gab Zuken selbst in [5] ergänzende Hinweise zu Gebieten, in denen die Firma in KI-Technologie investiert oder sie bereits einsetzt:

• Vorschläge für die nächste Aktion: Die KI schlägt den nächsten Arbeitsschritt vor, basierend auf der von Experten erlernten Eingabehistorie
• Erkennung und Reproduktion von Schaltkreisen: KI erkennt Schaltungen und Komponenten aus erfassten Daten und reproduziert automatisch das bewährte Layout und Routing
• Abstandskorrektur: Die KI passt automatisch die Abstände zwischen Komponenten oder Leiterbahnen und deren relative Positionen an
• KI-gesteuerte Optimierung der Pinanzahl: KI liefert hochpräzise Ergebnisse mit
  kürzeren Vorlaufzeiten und geringerer Abhängigkeit von Spezialisten
• KI-gestützte Design-Rule-Optimierung: Auf der Grundlage von Elementen der Design-Rule-Prüfungen, die in früheren Daten verwendet wurden, extrahiert KI automatisch Elemente, die in Schaltungen geprüft werden müssen, und wendet eine Prüfregel an.

Zukunftsziele der Elektronikindustrie?

Im vorn erwähnten dreiteiligen Artikel des Autors von 2021 in der Plus wird das seit 2018 laufende Projekt IDEA der US-Technologieagentur DARPA vorgestellt. In ihm geht es um die Schaffung eines Turnaround-Layout-Generators, der in der Lage ist, innerhalb von 24 Stunden die Designgunterlagen für System-On-Chips, System-in-Packages und Leiterplatten fertigzustellen ohne Beteiligung des Menschen (‚no human in the loop'). Das in der Breite zu realisieren, ist zwar ein erklärtes Ziel der DARPA (und sicherlich auch der gesamten Elektronikindustrie), dürfte jedoch wohl noch einige Jahre ein Traum bleiben. IDEA umfasst alle vier Etappen der Entstehung von Elektronik: Chips, Chipmodule, Leiterplatten bzw. fertige Baugruppen, finale Geräte im Gehäuse. Immerhin kann das IDEA-Projekt als ein gewisser Vorhaltewinkel für die langfristigen Ziele der internationalen EDA-Industrie gesehen werden.

Referenzen:

[1] www.wikiwand.com/en/CR-5000
[2] https://www.zuken.com/de/resource/zuken-unveils-cr-8000-2023/
[3] www.edacentrum.de/progressivki/
[4] www.zuken.com/de/blog/zuken-nimmt-an-forderprojekt-progressivki-fur-neue-fahrzeug-und-systemtechnologien-teil/
[5] www.zuken.com/de/blog/ki-pcb-design-a-chat-with-chatgpt/