基于自動(dòng)化技術(shù)的電子信息工程設(shè)計(jì)研究

摘""要：自動(dòng)化技術(shù)在電子信息工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域中應(yīng)用日益廣泛，推動(dòng)了工程效率的提升。因此，對(duì)自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)行分析，研究其在電子信息工程設(shè)計(jì)的應(yīng)用，如電路板自動(dòng)化設(shè)計(jì)、芯片自動(dòng)化設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明，電子信息工程設(shè)計(jì)能有效提高設(shè)計(jì)效率，加強(qiáng)產(chǎn)品質(zhì)量，為行業(yè)發(fā)展提供新的動(dòng)力。未來(lái)的研究應(yīng)繼續(xù)關(guān)注自動(dòng)化技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用，以有效應(yīng)對(duì)日益復(fù)雜的工程挑戰(zhàn)。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)化技術(shù)""電子信息工程""設(shè)計(jì)效率""系統(tǒng)可靠性

中圖分類(lèi)號(hào)：F224-39

Research"on"Electronic"Information"Engineering"Design"Based"on"Automation"Technology

CHEN"Xueting

Fuzhou"Software"Technology"Vocational"College，"Fuzhou，"Fujian"Province，"350000"China

Abstract："The"increasingly"widespread"application"of"automation"technology"in"the"field"of"electronic"information"engineering"design"has"promoted"the"improvement"of"engineering"efficiency."Therefore，"automation"technology"is"analyzed，"its"application"in"electronic"information"engineering"design，"such"as"circuit"board"automation"design"and"chip"automation"design"is"studied."Practice"has"proved"that"electronic"information"engineering"design"can"effectively"improve"design"efficiency，"strengthen"product"quality，"and"provide"new"impetus"for"industry"development."Future"research"should"continue"to"pay"attention"to"the"innovative"application"of"automation"technology"to"effectively"cope"with"increasingly"complex"engineering"challenges.

Key"Words："Automation"technology;"Electronic"information"engineering;"Design"efficiency;"System"reliability

電子信息工程設(shè)計(jì)是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，涉及電路設(shè)計(jì)、系統(tǒng)集成、信號(hào)處理等多個(gè)方面。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法采用人工操作，要消耗大量時(shí)間，且容易出錯(cuò)。積極引進(jìn)自動(dòng)化技術(shù)，如計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（Computer-Aided"Design，CAD）、"電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（Electronic"Design"Automation，EDA）工具、人工智能（Artificial"Intelligence，AI），能夠顯著提高設(shè)計(jì)精確性，加強(qiáng)設(shè)計(jì)效率。自動(dòng)化技術(shù)利用算法優(yōu)化和模擬仿真，快速生成多種設(shè)計(jì)方案，幫助工程師在設(shè)計(jì)初期科學(xué)評(píng)估不同方案的性能，從而選擇最優(yōu)的設(shè)計(jì)路徑。并且，自動(dòng)化工具能夠自動(dòng)完成繁瑣的重復(fù)性工作，如布局布線、信號(hào)完整性分析等，極大地減輕了工程師的工作負(fù)擔(dān)。然而，自動(dòng)化技術(shù)在電子信息工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用也面臨各種挑戰(zhàn)。如何確保自動(dòng)化工具的可靠性、處理復(fù)雜系統(tǒng)中的不確定性問(wèn)題、平衡自動(dòng)化與人工干預(yù)的關(guān)系等，這些問(wèn)題需要工作人員在實(shí)踐中不斷探索。

1"自動(dòng)化技術(shù)在工程設(shè)計(jì)中的意義

1.1"提高電子信息工程設(shè)計(jì)效率

在設(shè)計(jì)過(guò)程中存在各種重復(fù)工作，通過(guò)引進(jìn)自動(dòng)化技術(shù)由機(jī)器自動(dòng)完成，能夠大幅度減輕設(shè)計(jì)師的負(fù)擔(dān)，提高設(shè)計(jì)效率。例如：自動(dòng)化布局和布線工具快速生成復(fù)雜電路的布局方案，自動(dòng)化仿真軟件則在設(shè)計(jì)初期科學(xué)預(yù)測(cè)電路性能，從而縮短產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到上市的周期。1.2"加強(qiáng)電子信息工程設(shè)計(jì)效果

工作人員利用人工智能技術(shù)和自動(dòng)化設(shè)計(jì)工具，如基于機(jī)器學(xué)習(xí)的設(shè)計(jì)優(yōu)化工具，能夠根據(jù)歷史數(shù)據(jù)科學(xué)調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)，達(dá)到最佳的性能和成本平衡，進(jìn)一步提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，同時(shí)也為設(shè)計(jì)師提供大量的創(chuàng)新空間。

1.3"提升電子信息工程設(shè)計(jì)精確

設(shè)計(jì)精度和系統(tǒng)使用性能有直接關(guān)聯(lián)，一旦某個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題，很容易降低整個(gè)系統(tǒng)的使用性能，甚至產(chǎn)生失效問(wèn)題。自動(dòng)化工具真實(shí)模擬、精確計(jì)算，加強(qiáng)設(shè)計(jì)參數(shù)的準(zhǔn)確性，從而提高設(shè)計(jì)的可靠性。例如：自動(dòng)化測(cè)試工具全面驗(yàn)證設(shè)計(jì)，讓每一個(gè)細(xì)節(jié)都符合設(shè)計(jì)要求，從而大幅度降低設(shè)計(jì)缺陷的風(fēng)險(xiǎn)[1]。

2"基于自動(dòng)化技術(shù)的電子信息工程設(shè)計(jì)

2.1"電路板自動(dòng)化設(shè)計(jì)

2.1.1"電路板自動(dòng)化布局設(shè)計(jì)

隨著自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)基于手工的布局設(shè)計(jì)正逐漸被自動(dòng)化方法所取代，主要包括模擬退火算法和遺傳算法兩種自動(dòng)化布局設(shè)計(jì)方法。比較它們與傳統(tǒng)手工布局設(shè)計(jì)的性能差異。傳統(tǒng)手工布局設(shè)計(jì)依賴(lài)工程師的經(jīng)驗(yàn)，手動(dòng)調(diào)整元件的位置和布線，科學(xué)優(yōu)化電路板的性能，這種方法雖然靈活，但耗時(shí)且容易出錯(cuò)，尤其是在復(fù)雜電路板的設(shè)計(jì)中。模擬退火算法是一種啟發(fā)式優(yōu)化算法，靈感來(lái)源于物理學(xué)中的退火過(guò)程，模擬物質(zhì)在高溫下逐漸冷卻，從而達(dá)到能量最小狀態(tài)的過(guò)程，尋找問(wèn)題的全局最優(yōu)解。在電路板布局設(shè)計(jì)中，模擬退火算法通過(guò)隨機(jī)移動(dòng)元件位置合理評(píng)估布局的性能，逐步調(diào)整布局，從而達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。遺傳算法真實(shí)模擬生物進(jìn)化過(guò)程中的選擇、交叉、變異等操作，搜索問(wèn)題的最優(yōu)解，生成初始種群，然后通過(guò)選擇、交叉、變異操作迭代生成新的布局方案，最終找到性能最優(yōu)的布局（如表1所示）。

表1""傳統(tǒng)手工布局設(shè)計(jì)和遺傳算法自動(dòng)化布局設(shè)計(jì)性能差異

方法

迭代次數(shù)

布局芯片數(shù)量

成功率/%

傳統(tǒng)手工布局設(shè)計(jì)

0

1"350

80.3

遺傳算法自動(dòng)化布局設(shè)計(jì)

72

1"350

96.5

本研究以某電路板為例，對(duì)傳統(tǒng)手工布局設(shè)計(jì)和遺傳算法自動(dòng)化布局設(shè)計(jì)效果進(jìn)行對(duì)比（如圖1所示）。結(jié)果顯示，遺傳算法成功率顯著高于手工布局設(shè)計(jì)，遺傳算法生成的布局在布線長(zhǎng)度、信號(hào)完整性、散熱性能等方面均優(yōu)于手工布局設(shè)計(jì)[2]。

圖1""遺傳算法圖片

2.1.2"電路板自動(dòng)化布局

基于優(yōu)化算法的方式，利用優(yōu)化算法（如遺傳算法、模擬退火算法等）尋找最優(yōu)的布線路徑，在多維空間中搜索最優(yōu)解，從而在保證信號(hào)完整性的同時(shí)，最小化布線長(zhǎng)度和布線時(shí)間。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠獲得更優(yōu)的布線效果，但實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度較高，要使用大量計(jì)算資源。以某電路板的布線任務(wù)為例，對(duì)比傳統(tǒng)手工布線和自動(dòng)化布線的應(yīng)用效果（如表2所示）：自動(dòng)化布線花費(fèi)時(shí)間為4.7"h，手工布線則需要45.2"h；自動(dòng)化布線錯(cuò)誤率幾乎為零，手工布線存在較高的錯(cuò)誤率。自動(dòng)化布線通過(guò)優(yōu)化算法顯著提高了信號(hào)完整性，減少了信號(hào)干擾和傳輸延遲。該電路板布線方法能夠顯著提高布線效率和質(zhì)量。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)電路的復(fù)雜度和設(shè)計(jì)要求選擇合適的布線方法[3]。

表2""傳統(tǒng)手工布線和自動(dòng)化電路板布線效果

方法

布線時(shí)間/h

錯(cuò)誤率/%

信號(hào)完整性

傳統(tǒng)手工布線

45.2

10.6

不佳

自動(dòng)化電路板布線

4.7

0.95

良好

2.2"芯片自動(dòng)化設(shè)計(jì)

2.2.1"芯片邏輯綜合

為了提高設(shè)計(jì)效率和優(yōu)化性能，在芯片邏輯綜合過(guò)程中，采用啟發(fā)式算法，指導(dǎo)搜索過(guò)程，尋找近似最優(yōu)解的算法。在芯片邏輯綜合中，啟發(fā)式算法有效處理大規(guī)模的組合邏輯問(wèn)題，建立邏輯綜合模型，使用搜索算法進(jìn)行求解，從而在保證電路性能的同時(shí)，減少資源消耗和設(shè)計(jì)時(shí)間[4]。

二叉樹(shù)約束搜索（Binary"Decision"Diagram，"BDD）主要表示復(fù)雜的邏輯函數(shù)，通過(guò)減少冗余的邏輯節(jié)點(diǎn)來(lái)簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)（如圖2所示）。BDD方法通過(guò)構(gòu)建有向無(wú)環(huán)圖來(lái)表示布爾函數(shù)，其中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)代表布爾變量，邊則表示變量的取值對(duì)函數(shù)值的影響，及時(shí)處理大規(guī)模的邏輯表達(dá)式，且在邏輯優(yōu)化和驗(yàn)證過(guò)程中表現(xiàn)出良好的性能。

啟發(fā)式優(yōu)化搜索（Heuristic"Optimization"Search，"HOS）通過(guò)不斷迭代和優(yōu)化來(lái)尋找問(wèn)題的最優(yōu)解或近似最優(yōu)解。在芯片邏輯綜合中，HOS方法通過(guò)定義一系列的啟發(fā)式規(guī)則來(lái)指導(dǎo)邏輯節(jié)點(diǎn)的重排和優(yōu)化，以達(dá)到減少電路延遲、面積和功耗的目的。HOS算法通常結(jié)合局部搜索和全局搜索策略，在搜索空間中快速定位到高質(zhì)量的解[5]。

圖2"二叉樹(shù)約束搜索圖片

2.2.2"芯片布圖

目前，芯片布圖集利用計(jì)算機(jī)程序來(lái)優(yōu)化芯片的布局和布線。這些算法通常基于數(shù)學(xué)模型和優(yōu)化技術(shù)，能夠快速生成高效的布圖方案，在短時(shí)間內(nèi)處理大量數(shù)據(jù)，生成多個(gè)布圖方案，遵循固定的算法和規(guī)則，確保設(shè)計(jì)結(jié)果的一致性。在某芯片設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們對(duì)比了傳統(tǒng)手工設(shè)計(jì)和自動(dòng)化設(shè)計(jì)的性能（如表3所示）。結(jié)果顯示，自動(dòng)化設(shè)計(jì)將設(shè)計(jì)周期縮短了約30%，顯著提高了設(shè)計(jì)效率，，在芯片的時(shí)序性能和功耗方面均有更好的表現(xiàn)；減少了人為錯(cuò)誤，提高了設(shè)計(jì)的可靠性[6]。

表3""性能差異

方法

布局時(shí)間/h

錯(cuò)誤率/%

時(shí)鐘頻率/MHz

傳統(tǒng)手工設(shè)計(jì)

66.2

5.6

875

自動(dòng)化芯片設(shè)計(jì)

5.3

1.3

1"250

3"結(jié)語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)應(yīng)用自動(dòng)化工具和方法，不僅能夠提高設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量，還能夠降低成本，縮短產(chǎn)品上市時(shí)間，從而在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)有利地位。通過(guò)持續(xù)的研究和實(shí)踐，我們可以期待，在不久的將來(lái)，自動(dòng)化技術(shù)將更加深入地融入電子信息工程的各個(gè)環(huán)節(jié)，推動(dòng)整個(gè)行業(yè)向著更智能的方向發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]"朱霄鵬.基于混沌系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)及同步控制研究[D].蘭州：西北師范大學(xué)，2023.

[2]"黎晨光.城市軌道交通全電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的應(yīng)用研究[D].北京：中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，2022.

[3]"張智蕾.淺談自動(dòng)化技術(shù)在電子信息工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].電子測(cè)試，2022（3）：123-125.

[4]"陳鑫.自動(dòng)化技術(shù)在電子信息工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究[J].北京印刷學(xué)院學(xué)報(bào)，2021，29（3）：144-146.

[5]"徐赟.自動(dòng)化技術(shù)在電子信息工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用探析[J].信息記錄材料，2021，22（9）：177-178.

[6]"張新軍，袁文婷.電子信息工程設(shè)計(jì)中自動(dòng)化技術(shù)的運(yùn)用探討[J].包裝世界，2022（5）：76-78.