用AI設(shè)計射頻芯片，數(shù)月流程壓縮至6分鐘

傳統(tǒng)上，設(shè)計一款高性能的無線通信芯片，需要頂尖專家團(tuán)隊花費數(shù)月甚至更長時間，依靠直覺與經(jīng)驗進(jìn)行無數(shù)次手動調(diào)整。如今，這一局面正被普林斯頓大學(xué)的研究團(tuán)隊徹底顛覆。他們利用人工智能技術(shù)，將這一復(fù)雜過程縮短至數(shù)分鐘，甚至能創(chuàng)造出人類難以理解但性能更優(yōu)的芯片結(jié)構(gòu)。

從“手工打造”到“逆向設(shè)計”

無線芯片，特別是應(yīng)用于5G毫米波和太赫茲頻段的射頻集成電路，其設(shè)計極為復(fù)雜。它需要將放大器等有源電路與天線、濾波器等無源電磁結(jié)構(gòu)緊密結(jié)合，并協(xié)同優(yōu)化。工程師必須能同時處理電磁學(xué)、熱效應(yīng)與元件互連等多重物理限制，設(shè)計空間極其龐大且更新成本極高，致使研發(fā)進(jìn)程非常緩慢。這種傳統(tǒng)設(shè)計方法依賴于工程師的經(jīng)驗、預(yù)置的模板和耗時的參數(shù)掃描，是一種“自下而上”的構(gòu)建方式。

由普林斯頓大學(xué)電氣與計算機(jī)工程系教授考希克·森古普塔（Kaushik Sengupta） 領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊，開創(chuàng)了一種截然不同的“逆向設(shè)計”方法。該團(tuán)隊的核心技術(shù)是利用深度學(xué)習(xí)和生成式人工智能技術(shù)。

其工作流程首先通過一個基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電磁仿真器，快速預(yù)測任意形狀電磁結(jié)構(gòu)的性能，從而繞過了傳統(tǒng)極其耗時的電磁仿真步驟，成功將模擬時間從傳統(tǒng)分鐘或小時級壓縮到毫秒級。接著，AI可以根據(jù)設(shè)計目標(biāo)，通過逆向設(shè)計與擴(kuò)散模型結(jié)合來合成全新的芯片布局：工程師只需輸入散射參數(shù)（scattering parameters，即S參數(shù)）當(dāng)作目標(biāo)規(guī)格，擴(kuò)散模型就能直接產(chǎn)生對應(yīng)的電磁結(jié)構(gòu)。它甚至?xí)褂脧?qiáng)化學(xué)習(xí)等算法，像精通圍棋的AI一樣，在超越人類理解范疇的巨大設(shè)計空間中探索最優(yōu)解。

該系統(tǒng)甚至有“空間頻率”選項，輸出樣式設(shè)計師可以自由調(diào)整：從較具可讀性的傳統(tǒng)古典風(fēng)格，到更抽象、宛如現(xiàn)代藝術(shù)般的畫素風(fēng)皆一鍵輸出。整體從規(guī)格制定到制造布局的生成流程約需6分鐘；但若要建立或改動系統(tǒng)，模型訓(xùn)練仍需較長時間與大量數(shù)據(jù)。

不可思議但更優(yōu)秀

這種AI驅(qū)動的設(shè)計方法帶來了幾個革命性的變化：

速度飛躍：過去需要數(shù)月才能完成的設(shè)計，現(xiàn)在幾分鐘就能搞定。

打破常規(guī)：AI生成的電路結(jié)構(gòu)常常是反直覺、不規(guī)則的，人類工程師無法通過常規(guī)思路理解，但這些“怪異”的布局卻能實現(xiàn)前所未有的性能。

性能突破：AI設(shè)計的芯片能夠覆蓋30至94 GHz的創(chuàng)紀(jì)錄頻率范圍，并顯著提升了能效。例如，在一個演示案例中，AI設(shè)計出了一款覆蓋34-70GHz的寬帶毫米波功率放大器，其飽和輸出功率達(dá)到21.2dBm，峰值功率附加效率為26%。

“我們正在創(chuàng)造出結(jié)構(gòu)復(fù)雜、形狀看似隨機(jī)的設(shè)計，當(dāng)它們與電路連接時，能實現(xiàn)以往無法達(dá)到的性能，”森古普塔教授解釋道，“人類無法真正理解它們，但它們可以工作得更好。”

盡管AI表現(xiàn)出色，但它的目標(biāo)并非取代人類設(shè)計師。AI有時會產(chǎn)生不工作的“幻覺”元件，仍需人類監(jiān)督和校正。在這個新范式中，人類設(shè)計師的角色將從繁瑣的試錯工作中解放出來，轉(zhuǎn)向定義目標(biāo)、解讀AI的“奇思妙想”并進(jìn)行更高層次的創(chuàng)新。

從實驗室到國家戰(zhàn)略

普林斯頓大學(xué)利用AI來設(shè)計射頻芯片的研究項目已獲得美國政府的高度認(rèn)可。

2025年，普林斯頓大學(xué)獲得了美國國家半導(dǎo)體技術(shù)中心（NSTC）近1000萬美元的資助，用于領(lǐng)導(dǎo)一個聯(lián)合政府與行業(yè)的項目，旨在將AI驅(qū)動的射頻芯片設(shè)計技術(shù)商業(yè)化，確保美國在下一代通信技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位。該項目的代號為“IMAGINE”，其目標(biāo)正是實現(xiàn)從規(guī)格到芯片版圖的快速、自動化設(shè)計。

森古普塔教授團(tuán)隊的工作已在頂級學(xué)術(shù)會議上屢獲殊榮，包括2023年《IEEE固態(tài)電路期刊》的最佳論文獎。他們最新的研究成果也發(fā)表于《自然·通訊》等權(quán)威期刊。森古普塔教授表示：“這僅僅是冰山一角，未來我們將探索用AI設(shè)計更復(fù)雜的系統(tǒng)和芯片。”

編輯：芯智訊-浪客劍