Nachbearbeitung eines KI-entworfenen Computers: Das Layout für produktionsreife Hardware verfeinern (Teil 3/6)

Project Speedrun ist unsere Herausforderung, mit unserer physikgestützten KI so schnell wie möglich einen vollständigen Computer zu entwerfen. Diese Blogserie dokumentiert die Entwicklung des Systems und die technischen Entscheidungen dahinter. Beginnen Sie mit dem Überblick zu Project Speedrun und seinen Ergebnissen.

Wir entschieden uns für einen vollständigen eingebetteten Computer, weil er alle Bereiche eines Layoutwerkzeugs unter realen Entwicklungsanforderungen auf die Probe stellt. Ein System, das Linux startet, LPDDR4 ansteuert, Grafiken rendert und Audio- sowie Kameraschnittstellen bedient, zeigt, ob Routing, Impedanzkontrolle, Stromversorgungsnetz und Hochgeschwindigkeitsverhalten akzeptabel sind. Der Nachbau des i.MX-8M-Mini-SOM und der Basisplatine in diesem Kontext ermöglichte uns, den von Quilter automatisierbaren Arbeitsanteil zu messen. Einer Ausgangsschätzung von 238 Stunden für die Basisplatine und 190 Stunden für das SOM standen am Ende 27 Stunden automatisiertes Layout und lediglich 12 Stunden Nachbearbeitung für die Basisplatine sowie 26.5 für das SOM gegenüber. 

Bei der Nachbearbeitung nehmen Ingenieure die letzten Anpassungen vor, die über die Fertigungsreife einer Platine entscheiden. In einem manuellen Ablauf ist dieser Schritt klein, weil bereits Hunderte Stunden menschliches Routing erfolgt sind. Bei Quilter übernimmt die KI den Großteil des Layouts, und Ingenieure konzentrieren sich auf gezielte Verbesserungen mit hoher Wirkung.

Was Nachbearbeitung hier bedeutet

Nachbearbeitung ist keine Rettungsaktion. Die von Quilter erzeugten Platinen waren bereits weitgehend vollständig und DRC-fehlerfrei. Es ging um einen Präzisionsdurchlauf, um das Design an Erwartungen, Sicherheitsreserven und Präferenzen zur Versorgungsintegrität des Entwicklungsteams anzupassen.

Die meisten Nachbearbeitungsaufgaben gehörten zu wenigen Kategorien:

• Polygon-Kupferflächen
  Quilter kann Versorgungspolygone erzeugen, doch bei diesem Projekt wünschte das Team größere Kupferbereiche für zusätzliche Sicherheit. Ihre Vergrößerung erforderte oft das Freimachen von Routingkanälen und damit weitere kleine Verschiebungen und Verfeinerungen.
• Längenabgleich
  Der Längenabgleich beanspruchte einen erheblichen Teil der Nachbearbeitungszeit. Hauptgrund war, dass Quilters damalige Engine für den Längenabgleich die Via-Verzögerung noch nicht berücksichtigte. Sobald Vias einbezogen wurden, stieg die Signallaufzeit, und der Längenabgleich musste manuell nachjustiert werden. Ein Via-berücksichtigendes Verzögerungsmodell für Quilters Längenabgleich ist eine bekannte künftige Verbesserung.
• Hochstrom- und Versorgungsnetze
  Diese Netze benötigten manuelle Anpassungen, wo die Ingenieure breitere Kupferflächen oder konservativere Geometrien als die von Quilter gewählten bevorzugten. Ziel war, die Robustheit der Stromverteilung an das Sicherheitsbedürfnis der Ingenieure anzupassen.

Keine Rettungsaktion, sondern ein Feinschliff, der die Ingenieure in Kontrolle hält und allen Sicherheit gibt.

Basisplatine: 12 Stunden Nachbearbeitung statt 238 Stunden manuellem Routing (nahezu 20x Verbesserung)

Die Nachbearbeitung der Basisplatine erforderte nur 12 Entwicklungsstunden gegenüber den geschätzten 238 Stunden für ein vollständig manuelles Layout. Der Großteil der Arbeit konzentrierte sich auf wenige gezielte Bauteilverschiebungen und Kupferanpassungen mit Auswirkungen auf mehrere Routinglagen.

Die Liste bearbeiteter Bauteile wirkt zwar lang, doch meist handelte es sich um kleine Anpassungen an Platzierung und Kupferflächen. So erforderte das Verschieben der Induktivität L102 unmittelbar neben ihren DC-DC-Wandler das Versetzen mehrerer benachbarter Bauteile, um Abstände und Routingkanäle wiederherzustellen.

Der Vergleich je Lage zeigt den Unterschied deutlich:

• Links die Ausgabe von Quilter
• Rechts die nachbearbeitete Version

Über alle Lagen hinweg ist das Ergebnis kein vollständiger Neuentwurf, sondern eine Präzisierung von Polygonen, Begradigung von Verbindungen und kleine Anpassungen für ein elektrisch und optisch sauberes Layout.

SOM: 26.5 Stunden Nachbearbeitung statt 190 Stunden manuellem Routing (>7x Verbesserung)

Die Nachbearbeitung des SOM erforderte 26.5 Stunden – deutlich mehr als bei der Basisplatine, aber weiterhin nur einen Bruchteil der für ein manuelles Layout veranschlagten 190 Stunden.

Das entspricht der Komplexität des SOM: dichtes Routing, LPDDR4-Schnittstelle, eMMC, Hochgeschwindigkeitssignale und enge HDI-Randbedingungen.

Wesentliche Nachbearbeitungsbereiche waren:

• Längenabgleich unter Berücksichtigung der Via-Verzögerung
  Nach Einbeziehung der Via-Verzögerungen erfüllten mehrere abgeglichene Verbindungen ihre Zielwerte nicht mehr. Das Team glich diese Netze manuell neu ab.
• Versorgungspolygone
  Die Ingenieure bevorzugten größere Polygone für die Stromverteilung, als Quilter ursprünglich erzeugt hatte. Dafür mussten Platz geschaffen, Leiterbahnen verschoben und kleine Bereiche neu geroutet werden.

Der Vergleich je Lage zeigt den Unterschied deutlich:

• Links die Ausgabe von Quilter
• Rechts die nachbearbeitete Version

Wie bei der Basisplatine erforderten diese Änderungen keine größeren strukturellen Eingriffe. Das SOM-Layout blieb grundsätzlich Quilters Ausgabe; die Nachbearbeitung verfeinerte das Kupfer und passte einen Teil der Bauteile an technische Präferenzen und Anforderungen der Versorgungsintegrität an.

Wenig Restarbeit, große Zeitersparnis

Nachbearbeitung lässt sich leicht als Zeichen eines Fehlschlags deuten. Das ignoriert jedoch das Ausmaß der Einsparung. Der Vergleich lautet nicht „Nachbearbeitung oder keine Nachbearbeitung“, sondern 38.5 Stunden gegenüber 428 Stunden. Ein kleiner Umfang gezielter Arbeit ersetzt Monate manuellen Routings.

Statt Hunderte Stunden von Hand zu routen, beginnen Ingenieure mit einem nahezu vollständigen Layout, das die Randbedingungen einhält, und konzentrieren sich nur auf gezielte Verfeinerungen. 

Bei der Basisplatine ersetzten 12 Stunden Nachbearbeitung geschätzte 238 Stunden manuelles Routing. Manche Platinen beschleunigen sich mäßig, andere um eine Größenordnung.

Insgesamt stehen 38.5 Stunden Nachbearbeitung nach nur 27 Stunden autonomer Laufzeit den 428 Stunden manueller Arbeit gegenüber. So verkürzt sich ein Zeitplan von einem Quartal auf eine Woche.

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