Проект: Специальные инструменты проектирования СВЧ-устройств и встроенный ИИ-ассистент для расширенной версии САПР СВЧ МИС и ГИС на платформе MoM3d Studio

Конечным продуктом проекта является расширение системы mom3d Studio, состоящее из пяти связанных частей. Инструмент анализа характеристик МИС и ГИС выполняется как панель системы. Он принимает S-параметры из файла формата Touchstone или из результата любого расчёта в проекте. Инструмент исключает влияние оснастки, заданной отрезком линии, файлом S-параметров оснастки или измерением сквозной оснастки по методу 2x-Thru. Он рассчитывает неравномерность амплитуды, отклонение фазы от линейной, групповое время и его неравномерность. Инструмент строит глазковую диаграмму для заданной скорости передачи и тестовой последовательности и измеряет раскрыв диаграммы и джиттер. Он также строит диаграмму рефлектометрии во временной области в виде профиля волнового сопротивления вдоль структуры по времени и по длине. Результаты выводятся на графики системы и экспортируются в форматы Touchstone и CSV. Инструмент синтеза фильтров принимает от пользователя тип фильтра (нижних частот, верхних частот, полосно-пропускающий), границы полосы, допустимую неравномерность и требуемое затухание. Инструмент подбирает порядок фильтра и аппроксимацию (Баттерворта, Чебышёва, эллиптическую, Бесселя), рассчитывает номиналы сосредоточенных элементов или размеры отрезков линий передачи для ступенчатых, шлейфовых структур и структур на связанных линиях с учётом выбранной подложки. По результатам синтеза инструмент создаёт схему в схемном редакторе и топологию для трёхмерной проверки. Дополнительно предусмотрен синтез безотражательных фильтров по методике, разработанной в ТУСУР и отсутствующей в зарубежных аналогах. Инструмент синтеза пассивных СВЧ-устройств рассчитывает делители мощности Уилкинсона с равным и неравным делением, в том числе многосекционные широкополосные, а также направленные ответвители на связанных линиях, шлейфные и кольцевые. Для каждого устройства определяются волновые сопротивления плеч, номиналы резисторов, ширины, зазоры и длины линий на заданной подложке. Инструмент выдаёт схему, топологию и расчётную характеристику. Три инструмента поставляются в виде отдельного пакета на языке Python с использованием библиотек NumPy и SciPy. Пакет имеет собственные тесты и подключается к системе через документированный контракт без изменения её ядра, по тому же принципу, по которому к системе подключён схемный редактор. Для каждой функции, имеющей аналог в ADS или MWO, в отчёте об испытаниях приводится численная степень соответствия, полученная при одинаковых исходных данных и параметрах обработки. Встроенный ИИ-ассистент состоит из отдельного сервиса с языковой моделью небольшого размера, работающего на сервере лаборатории без доступа в интернет, и панели в интерфейсе системы. База знаний формируется из документации системы, подписей элементов интерфейса, описаний примеров и учебных материалов. Ассистент получает сведения о состоянии открытого проекта и результатах расчёта. Он отвечает на вопросы пользователя со ссылкой на раздел документации, разбирает диагностические сообщения расчёта, предлагает изменения параметров проекта, которые применяются только после подтверждения пользователем, и выдаёт короткие подсказки по ходу работы при обнаружении типичных ошибок. В состав результата входит набор от 200 до 300 контрольных вопросов с эталонными ответами и отчёт об измеренном качестве ответов ассистента. ИИ-ассистент управления проектом является внешним сервисом. Он собирает задачи из системы GitLab, ведёт реестр участников с их ролями и доступностью, учитывает загрузку сервера и других ресурсов и связывает эти сведения с планом проекта. Сервис выводит панель состояния по направлениям работ, готовит еженедельные сводки для руководителя, перечень просроченных и заблокированных задач и черновики отчётов по этапам, а также преобразует протоколы встреч в задачи. Сервис отрабатывается на управлении данным проектом с командой из 15 человек по пяти направлениям работ. К сопутствующим результатам относятся руководства пользователя и разработчика, документы контрактов интеграции, сборка системы, развёрнутая на сервере лаборатории с многопользовательским доступом, лабораторные работы для курса «Основы автоматизированного проектирования СВЧ устройств», свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ и не менее двух публикаций. Исходные тексты программ передаются в открытом виде.

Проектирование СВЧ монолитных и гибридных интегральных схем (МИС и ГИС) сегодня опирается на зарубежные САПР Keysight ADS и Cadence AWR Microwave Office. Поставки и поддержка этих систем в России прекращены, а замены с сопоставимым набором функций пока нет. В 2024 году Минпромторг России опубликовал дорожную карту развития отечественных САПР микроэлектроники, и в ТУСУР по этому плану выполняется разработка базовой версии САПР СВЧ МИС и ГИС со сдачей в конце 2026 года. С 2027 года планируется расширенная версия. В перечень её модулей включены синтез пассивных СВЧ-структур и устройств, деэмбеддинг, анализ целостности сигналов и питания и применение методов искусственного интеллекта. Платформой интеграции расширенной версии выбрана собственная система трёхмерного квазистатического моделирования mom3d Studio, написанная на Python. Проект ПИШ создаёт ровно те модули, которые заявлены в перспективах расширенной версии, и делает это на её платформе, поэтому результаты востребованы сразу после завершения. Потребность в каждом из инструментов подтверждается практикой проектирования. Результаты измерений МИС и ГИС на зондовой станции или в оснастке содержат вклад измерительных структур, и без деэмбеддинга модель элемента строится с ошибкой. Дизайн-центр АО «НПФ «Микран» ведёт с ТУСУР работу по комплексному инструменту проектирования МИС на процессе 0,15 мкм GaAs pHEMT, где подсистема деэмбеддинга входит в состав первого этапа. Анализ амплитудных и фазовых отклонений, глазковых диаграмм и рефлектометрии во временной области нужен разработчикам многоканальных ГИС и высокоскоростных межсоединений и в зарубежных САПР давно является штатной функцией. Синтез фильтров и стандартных пассивных устройств сокращает время получения первого приближения с дней до минут и в ADS и MWO представлен инструментами Filter Design Guide, iFilter и Component Synthesis. В отечественных системах этих инструментов нет. Востребованность ИИ-ассистента вытекает из свойств численного моделирования. Электромагнитный решатель почти никогда не отказывает явно, он выдаёт сошедшийся и правдоподобный, но неверный ответ при неудачной сетке, неверной ориентации поверхностей или порте, поставленном не там. Опыт преподавания курса по автоматизированному проектированию СВЧ-устройств в ТУСУР показывает, что основные потери времени студентов и молодых инженеров приходятся на настройку проекта и толкование диагностических сообщений, а не на сам расчёт. Ассистент, который знает документацию системы и видит состояние проекта, снимает эту нагрузку. При этом заказчики из промышленности требуют обработки данных только внутри предприятия, поэтому ассистент должен работать на локальной модели без обращения к внешним сервисам. Готовых решений такого рода для инженерных САПР на российском рынке нет. Потребность в ассистенте управления проектом определяется масштабом самой работы. В проекте участвуют 15 студентов по пяти направлениям, каждое со своим репозиторием, своими критериями приёмки и своими сроками, а результаты должны сходиться в одной сборке на сервере лаборатории. Ручная координация такой команды отнимает у руководителя и лидов направлений время, которое нужно на техническую работу. Инструмент, который связывает задачи, людей и ресурсы и готовит сводки, нужен проекту с первого месяца, а после отработки пригодится другим командам ПИШ. Проект отвечает задачам Передовой инженерной школы. Студенты работают над реальным продуктом, который передаётся заказчику, в команде с распределёнными ролями, с ответственностью за проверяемый численный результат и с использованием современных средств коллективной разработки. Результаты войдут в лабораторный практикум курса и в программу дополнительного образования по САПР СВЧ интегральных схем.

Объектом разработки является отечественная система трёхмерного квазистатического моделирования mom3d Studio, которая служит платформой интеграции расширенной версии САПР СВЧ МИС и ГИС. Предметом разработки являются пять программных компонентов, подключаемых к этой системе. Первый компонент представляет собой инструмент анализа характеристик МИС и ГИС, выполняющий деэмбеддинг измерительной оснастки, расчёт амплитудных и фазовых отклонений, построение глазковых диаграмм и диаграмм рефлектометрии во временной области. Второй компонент представляет собой инструмент синтеза фильтров нижних частот, верхних частот и полосно-пропускающих фильтров на сосредоточенных и распределённых элементах по требованиям к амплитудно-частотной характеристике с выдачей схемы и топологии. Третий компонент представляет собой инструмент синтеза стандартных пассивных СВЧ-устройств, рассчитывающий электрические и геометрические параметры делителей мощности Уилкинсона и направленных ответвителей. Четвёртый компонент представляет собой встроенный ИИ-ассистент в составе локального сервиса языковой модели, базы знаний по системе и панели в интерфейсе. Пятый компонент представляет собой внешний ИИ-ассистент управления проектом, синхронизирующий задачи, участников и ресурсы. Предметом исследования являются методы и алгоритмы, лежащие в основе этих компонентов. Для инструмента анализа исследуются способы исключения оснастки по её известной модели, по файлу S-параметров и по измерению сквозной оснастки, а также способы перехода от ограниченных по полосе S-параметров к временной области с сохранением причинности и пассивности, от которых зависит достоверность глазковых диаграмм и профилей рефлектометрии. Для инструмента синтеза фильтров исследуются классические аппроксимации и частотные преобразования, переход к распределённым структурам через преобразование Ричардса и тождества Куроды, синтез фильтров на связанных линиях, а также синтез безотражательных фильтров по методике, разработанной в ТУСУР. Для инструмента синтеза пассивных устройств исследуются расчётные соотношения делителей и ответвителей, включая многосекционные широкополосные варианты, и способы пересчёта волновых сопротивлений в геометрию линий на заданной подложке с помощью двумерного метода моментов и замкнутых формул. Отдельно исследуется иерархия проверки синтезированных устройств, при которой погонные параметры линий считаются двумерным решателем, схема считается схемным решателем, а неоднородности считаются трёхмерным квазистатическим решателем в пределах его применимости. Для ИИ-ассистента предметом исследования являются способы построения базы знаний из документации системы, подписей интерфейса и учебных материалов, способы передачи модели структурированного состояния проекта и результатов расчёта, правила формирования проверяемых действий, применяемых только после подтверждения пользователем, и методика измерения качества ответов на контрольном наборе вопросов и в лабораторных работах. Для ассистента управления проектом предметом исследования являются модель данных, связывающая задачи, участников, ресурсы и план работ, правила выявления просроченных и заблокированных задач, способы извлечения задач из протоколов встреч и влияние такого инструмента на работу студенческой исследовательской команды.

Проект выполняется командой из 15 студентов под руководством сотрудников лаборатории по пяти направлениям работ. Каждое направление ведёт собственный репозиторий на университетском сервере GitLab с автоматическим прогоном тестов. Инструменты подключаются к системе mom3d Studio через документированные контракты по тому же принципу, по которому к ней уже подключены схемный редактор и двумерные решатели, поэтому ядро системы ради проекта не изменяется, а версии компонентов закрепляются. Работа организована недельными циклами с общей доской задач, а ассистент управления проектом вводится в работу в первые три месяца и далее используется для координации самого проекта. Студенты проходят выравнивающие занятия по модулям курса автоматизированного проектирования СВЧ-устройств, включая работу с системой, S-параметры и средства коллективной разработки. Инструменты анализа и синтеза реализуются на языке Python с библиотеками NumPy и SciPy в виде отдельного пакета с собственными тестами против замкнутых аналитических решений. Деэмбеддинг выполняется через матрицы передачи оснастки, заданной моделью отрезка линии, файлом S-параметров или измерением сквозной структуры по методу 2x-Thru. Переход во временную область для глазковых диаграмм и рефлектометрии выполняется обратным преобразованием Фурье с экстраполяцией к нулевой частоте, принудительным обеспечением причинности, контролем пассивности и оконной обработкой, а глазковая диаграмма дополнительно проверяется вторым независимым путём через переходный анализ в схемном решателе. Синтез фильтров строится на прототипах нижних частот с частотными преобразованиями, переходе к распределённым элементам через преобразование Ричардса и тождества Куроды и на соотношениях для фильтров на связанных линиях. Синтез делителей и ответвителей опирается на классические расчётные соотношения, включая многосекционные широкополосные варианты. Пересчёт волновых сопротивлений в ширину, зазор и длину линий выполняется двумерным методом моментов и замкнутыми формулами для микрополосковой, полосковой и копланарной линий. В интерфейсе системы инструменты появляются как новые виды проектных элементов в дереве проекта со своими панелями, участвуют в общих графиках и сохраняются в файле проекта. Инструменты синтеза создают схему в схемном редакторе и топологию для конструктора геометрии. Проверка синтезированных устройств ведётся по иерархии, при которой погонные параметры линий считаются двумерным решателем, схема считается схемным решателем, а неоднородности считаются трёхмерным квазистатическим решателем в пределах его применимости. Встроенный ИИ-ассистент реализуется как отдельный сервис с языковой моделью небольшого размера в квантованном виде, работающей на процессоре сервера лаборатории без доступа в интернет. База знаний индексируется гибридным поиском по ключевым словам и по векторным представлениям, индекс хранится локально. Ассистент получает состояние проекта и результаты расчёта в структурированном виде, отвечает со ссылками на разделы документации и предлагает изменения параметров как проверяемые по схеме действия, которые применяются только после подтверждения пользователем. Качество измеряется на контрольном наборе от 200 до 300 вопросов и в лабораторных работах со студентами. Ассистент управления проектом реализуется как внешний сервис на Python с использованием программного интерфейса GitLab и локального хранилища, с веб-панелью и рассылкой сводок, и использует тот же локальный сервис языковой модели. Работа ведётся в четыре этапа. На первом этапе формируется команда, готовятся частные технические задания с численными критериями соответствия, контракты интеграции и программы испытаний. На втором этапе создаются математические ядра инструментов и первые версии ассистентов. На третьем этапе выполняется интеграция в систему, сквозные примеры и сравнение с аналогами. На четвёртом этапе проводятся испытания, готовятся документация, лабораторные работы, свидетельства о регистрации программ и публикации. Для каждой функции, имеющей аналог в ADS или MWO, проводится сравнение при одинаковых исходных данных и параметрах обработки, а степень соответствия указывается в отчёте об испытаниях. При отсутствии доступа к лицензиям сравнение дополняется открытыми средствами Qucs-S и scikit-rf и опубликованными примерами.

Новизна проекта заключается в объединении в одной отечественной системе инструментов синтеза, анализа и интеллектуальной поддержки, образующих замкнутый маршрут проектирования. Инструмент синтеза создаёт схему и топологию, топология рассчитывается трёхмерным квазистатическим решателем, результат обрабатывается инструментом анализа, а синтезированная и проверенная характеристики выводятся на один график. В зарубежных САПР такой маршрут собирается из разрозненных модулей, в отечественных системах он отсутствует. В инструменте синтеза фильтров новым является синтез безотражательных фильтров, в которых энергия вне полосы пропускания поглощается, а не отражается к источнику. Методика синтеза таких фильтров на основе диссипативных матриц связи разработана в ТУСУР, по ней подготовлена рукопись статьи и изготовлены макеты. В инструментах iFilter и Filter Design Guide синтез безотражательных фильтров не предусмотрен. В инструменте анализа новым является сочетание деэмбеддинга по измерению сквозной оснастки с проверкой причинности и пассивности при переходе во временную область. Глазковая диаграмма получается двумя независимыми путями, через импульсную характеристику и через переходный анализ схемного решателя, что позволяет отличить свойство устройства от погрешности численного преобразования. Такой встроенный контроль в зарубежных аналогах пользователю не предоставляется. Для проверки синтезированных устройств предлагается иерархия моделей, в которой погонные параметры линий считаются двумерным решателем, схема считается схемным решателем, а неоднородности считаются трёхмерным квазистатическим решателем. Система сама сообщает пользователю границы применимости трёхмерного решателя по электрической длине структуры, тогда как зарубежные системы оставляют этот вопрос на усмотрение инженера. Встроенный ИИ-ассистент является новым решением для отечественных инженерных САПР. Он работает полностью локально на небольшой языковой модели, опирается на базу знаний, собранную из документации системы, подписей интерфейса и учебных материалов, получает структурированное состояние проекта и результаты расчёта и отвечает со ссылками на источники. Изменения проекта ассистент предлагает в виде действий, проверяемых по схеме и применяемых только после подтверждения человеком. Качество ассистента измеряется на контрольном наборе и в учебной аудитории, что делает его свойства проверяемыми, а не декларативными. Ассистент управления проектом впервые применяется к студенческой исследовательской команде ПИШ и одновременно является предметом исследования для участников управленческого направления. Он связывает задачи, участников, ресурсы и план в одной модели данных, извлекает задачи из протоколов встреч с помощью локальной языковой модели и готовит сводки и черновики отчётов, а его влияние на работу команды измеряется по ходу проекта. Архитектурной новизной является способ расширения системы без изменения её ядра. Каждый компонент поставляется отдельным пакетом с собственными тестами и подключается через документированный контракт с закреплённой версией. Это позволяет 15 студентам работать параллельно, не мешая друг другу и не нарушая работу платформы, и делает результаты переносимыми в расширенную версию САПР СВЧ МИС и ГИС.

Основой проекта служит система mom3d Studio, разработанная в ТУСУР. Её ядро представляет собой трёхмерный решатель методом граничных элементов, который рассчитывает частотно-зависимую комплексную матрицу ёмкостей проводников в кусочно-однородных диэлектриках с потерями, частичную индуктивность на дуальной сетке по принципу метода частичных элементов, потери в проводниках через поверхностный импеданс с учётом скин-эффекта, магнитные среды, S-параметры по матрице сопротивлений портов, а также излучение как постобработку токов. Реализованы иерархические матрицы с адаптивной перекрёстной аппроксимацией, параллельная сборка, редуцированный базис для частотных свипов и учёт бесконечной заземлённой плоскости методом изображений. Решатель проверен на задачах с замкнутыми решениями с контролем порядка сходимости, а S-параметры и индуктивность сопоставлены с известными аналитическими формулами для линий передачи. В системе уже реализован деэмбеддинг однородного отрезка линии, чтение и запись файлов Touchstone, проверки пассивности и взаимности. Пользовательская часть системы представляет собой браузерную студию с деревом проекта, в котором сосуществуют трёхмерные структуры, двумерные сечения и схемы, с графиками результатов любых проектных элементов на одних осях, глобальными переменными, конструктором геометрии на ядре OpenCASCADE, импортом файлов STL, STEP, GDSII и Gerber, генерацией автономного расчётного скрипта и экспортом в форматы Touchstone, CSV и VTK. Интерфейс выполнен на русском и английском языках с автоматической проверкой полноты перевода. Многопользовательский доступ обеспечивает шлюз с защищённым соединением, учётными записями и очередью расчётов, развёрнутый на сервере лаборатории с 24 ядрами и 41,8 ГБ памяти. Общий объём кода ядра, студии, шлюза и средств интеграции составляет около 75 тысяч строк на Python и 24 тысячи строк на JavaScript при 37 тысячах строк тестов. К системе подключены сестринские разработки. Схемный редактор mwse версии 0.3.0 содержит решатель на модифицированном методе узловых потенциалов с анализами по постоянному току, малосигнальным, S-параметров, шумовым, переходных процессов, гармонического баланса и мощности, модели линий на подложке, идеальные СВЧ-блоки, включая делитель Уилкинсона и квадратурный мост, и блоки S-параметров с рациональной макромоделью для временного анализа. Двумерный решатель методом моментов, решатель на основе FEMM и калькулятор линий по формулам конформных отображений рассчитывают погонные параметры сечений линий передачи. Калькулятор линий является первым специальным инструментом базовой версии САПР СВЧ МИС и ГИС. Способ подключения этих компонентов через документированные контракты без изменения ядра отработан и описан. Коллективы НИЛ «БЭМС РЭС», НИЛ ФИЭМС и НИИ МЭС ТУСУР выполняют опытно-конструкторскую работу по базовой версии САПР СВЧ МИС и ГИС, включающей среду проектирования, схемный редактор и симулятор, топологический редактор, библиотеку элементов и PDK, электромагнитный симулятор с двумерным и трёхмерным квазистатическим и 2,5-мерным электродинамическим анализом и модуль оптимизации. С АО «НПФ «Микран» ведётся работа по комплексному инструменту проектирования МИС на процессе 0,15 мкм GaAs pHEMT, в состав которой входит подсистема деэмбеддинга и построение макромоделей по результатам электромагнитного анализа. По тематике синтеза фильтров в ТУСУР разработана методика синтеза безотражательных фильтров на основе диссипативных матриц связи, подготовлена рукопись статьи в международный журнал, написаны программы синтеза решётчатых фильтров нижних частот и изготовлены макеты на частоты 80 и 200 МГц. Ранее в ПИШ завершён проект по фильтрам поглощающего типа в интегральном исполнении и средствам их проектирования. Руководитель проекта выполнил в ПИШ три проекта, включая платформу статистического анализа параметров активных СВЧ-устройств и алгоритмы многокритериальной оптимизации на основе искусственного интеллекта. Подготовлена программа курса «Основы автоматизированного проектирования СВЧ устройств» объёмом 144 часа с лабораторным практикумом на системе mom3d Studio и материалы программы дополнительного образования по САПР СВЧ интегральных схем. Документация системы объёмом около 735 килобайт, описания примеров и подписи интерфейса образуют готовый корпус для базы знаний ИИ-ассистента.

Основными мировыми аналогами являются Keysight ADS с инструментами Filter Design Guide, Passive Circuit DesignGuide, средствами деэмбеддинга, рефлектометрии и анализа каналов передачи и Cadence AWR Microwave Office с инструментами iFilter, Component Synthesis, измерениями отклонения от линейной фазы, группового времени, рефлектометрии и глазковых диаграмм. Близкие по отдельным функциям инструменты есть в CST Studio Suite и Ansys Electronics Desktop. Среди открытых средств синтез фильтров и калькулятор линий содержит Qucs-S, а деэмбеддинг и переход во временную область реализованы в библиотеке scikit-rf. По открытым данным, отечественные САПР электроники инструментов синтеза и анализа СВЧ-устройств в едином маршруте со схемным и трёхмерным моделированием не содержат, а встроенных ИИ-ассистентов нет ни в одной из перечисленных систем. По функциональному составу инструменты проекта соответствуют перечню функций аналогов из технического задания, а правильность результатов подтверждается сравнением при одинаковых исходных данных с указанием численной степени соответствия. Преимуществом является замкнутый маршрут внутри одной системы, при котором результат синтеза сразу становится схемой и топологией, а проверенная характеристика ложится на один график с синтезированной. Дополнительно система предоставляет синтез безотражательных фильтров, которого нет в аналогах, и второй независимый путь построения глазковой диаграммы для контроля численной погрешности. По экономическим показателям продукт не требует лицензионных платежей. Стоимость одного рабочего места ADS или MWO с электромагнитными и синтезными модулями составляет десятки тысяч долларов в год, при этом продление и поддержка для российских организаций недоступны. Продукт работает на процессорах без графических ускорителей, разворачивается на сервере лаборатории без доступа в интернет и обслуживает многих пользователей через браузер без установки на рабочие места. Стек разработки составляют Python, NumPy, SciPy и gmsh, что снимает зависимость от закрытых компонентов и позволяет включить продукт в реестр российского программного обеспечения. Встроенный ИИ-ассистент даёт преимущество, которого нет у аналогов. Он работает локально, что удовлетворяет требованиям промышленных заказчиков к защите данных, отвечает на русском языке со ссылками на документацию и помогает настроить проект без обращения к специалисту. Ожидаемый эффект в виде сокращения времени освоения системы и числа ошибок настройки будет измерен в лабораторных работах и приведён в отчёте. Ассистент управления проектом снижает затраты руководителя на координацию команды, а его эффект также измеряется по ходу проекта. Ограничения продукта указываются честно. Трёхмерный решатель системы квазистатический, поэтому четвертьволновые устройства на рабочей частоте проверяются через двумерные сечения и схемный решатель, а трёхмерный расчёт применяется к неоднородностям. Полноволновая проверка в составе базовой версии САПР обеспечивается 2,5-мерным электродинамическим решателем, который будет подключён к той же платформе. Языковая модель ассистента невелика по размеру, поэтому её ответы всегда опираются на найденные фрагменты документации и сопровождаются ссылками, а действия применяются только после подтверждения пользователем. По совокупности показателей продукт уступает мировым аналогам по широте функций, но превосходит их по доступности, стоимости владения, защищённости данных, языковой поддержке и наличии интеллектуальной помощи, а по отдельным функциям, таким как синтез безотражательных фильтров, предлагает возможности, отсутствующие у аналогов.