普林斯顿工程 - 人工智能削减了芯片设计的成本和时间，但这还不是全部

在无线技术前沿管理信号的专用微芯片是小型化和工程方面令人惊叹的作品。它们的设计也很困难且昂贵。

现在，普林斯顿工程学院和印度理工学院的研究人员已经利用人工智能，朝着削减设计新无线芯片和发现新功能的时间和成本迈出了关键一步，以满足对更好的无线速度和性能不断增长的需求。在一个文章研究人员于 12 月 30 日发表在《自然通讯》杂志上，描述了他们的方法，其中人工智能根据设计参数在微芯片中创建复杂的电磁结构和相关电路。过去需要数周的高技能工作现在可以在数小时内完成。

更重要的是，新系统背后的人工智能产生了奇怪的新设计，具有不寻常的电路模式。考希克·森古普塔首席研究员表示，这些设计不直观，不太可能由人类思维开发。但即使是最好的标准芯片，它们也经常提供显着的改进。

– 我们正在设计复杂且形状随机的结构，当与电路连接时，它们会产生以前无法实现的性能。人类无法真正理解它们，但它们可以更好地工作。”电气和计算机工程和联合主任下一个G，普林斯顿大学开发下一代通信的行业合作伙伴计划。

这些电路可以设计为实现更节能的运行，或者使其可以在目前不可能的巨大频率范围内运行。此外，该方法可以在几分钟内合成固有的复杂结构，而传统算法可能需要数周时间。在某些情况下，新方法可以创建现有技术无法合成的结构。

印度理工学院马德拉斯分校电气工程副教授、合著者 Uday Khankhoje 表示，这项新技术不仅提高了效率，而且有望开辟新的方法来应对超出工程师能力的设计挑战。

“这项工作展现了令人信服的未来愿景，”他说。–人工智能不仅可以加速耗时的电磁仿真，还可以探索迄今为止尚未探索的设计空间，并提供与通常的经验法则和人类直觉背道而驰的令人惊叹的高性能设备。

无线芯片是标准电子电路（如计算机芯片中的电路）和电磁结构（包括天线、谐振器、信号分配器、组合器等）的组合。这些元件组合被组合到每个电路块中，经过精心手工制作和共同设计，以实现最佳运行。然后，这种方法扩展到其他电路、子系统和系统，使得设计过程极其复杂且耗时，特别是对于无线通信、自动驾驶、雷达和手势识别等应用背后的现代高性能芯片。

– 经典设计小心翼翼地将这些电路和电磁元件一块一块地组合在一起，以便信号按照我们希望的方式在芯片中流动。通过改变这些结构，我们融入了新的特性，”Sengupta 说。– 以前，我们执行此操作的方法有限，但现在选择范围要大得多。 –

无线芯片的设计空间之广阔可能很难理解。森古普塔说，先进芯片中的电路非常小，几何结构非常详细，以至于芯片可能的配置数量超过了宇宙中的原子数量。人无法理解这种复杂程度，因此人类设计师不会尝试。他们从下到上构建芯片，根据需要添加组件并在构建时调整设计。

森古塔说，人工智能从不同的角度应对挑战。它将芯片视为一个单一的工件。这可能会导致奇怪但有效的安排。他表示，人类在人工智能系统中发挥着至关重要的作用，部分原因是人工智能可以做出错误的安排，也可以做出有效的安排。人工智能有可能产生不起作用的元素，至少目前是这样。这需要一定程度的人类监督。

“仍有一些缺陷需要人类设计师来纠正，”森古普塔说。– 重点不是用工具取代人类设计师。重点是使用新工具提高生产力。人类的思维最适合用来创造或发明新事物，而更平凡、更实用的工作可以转移到这些工具上。”

研究人员利用人工智能发现和设计复杂的电磁结构，这些结构与电路共同设计以创建宽带放大器。Sengupta 表示，未来的研究将涉及连接多个结构并利用人工智能系统设计整个无线芯片。

“现在这已显示出希望，人们需要付出更大的努力来考虑更复杂的系统和设计，”他说。– 对于该领域的未来而言，这只是冰山一角。 –

文章，——深度学习支持多端口射频和亚太赫兹无源器件和集成电路的广义逆向设计，— 于 2024 年 12 月 30 日发表在《自然通讯》杂志上。除了森古普塔之外，作者还包括主要作者、普林斯顿大学研究生埃米尔·阿里·卡拉汉 (Emir Ali Karahan)；普林斯顿大学的Zheng Liu、Zijian Shao 和 Jonathan Zhou；以及印度马德拉斯理工学院的 Aggraj Gupta 和 Uday Khankhoje。该研究的部分支持由空军科学研究办公室、海军研究办公室、普林斯顿研究计算中心和普林斯顿大学 M. S. Chadha 全球印度中心提供。