Zusammenfassung — Dissertation — Markus Meissner Die in dieser Dissertation vorgestellten Arbeiten verfolgen das Ziel, den Grad der Automatisierung des Entwurfs von integrierten analogen Schaltungen zu erhöhen. Hierfür wurde ein Framework entwickelt, welches die benötigten Mechanismen bereitstellt, um eine voll automatisierte analoge Schaltungssynthese durchführen zu können, d.h. die Konstruktion einer analogen Schaltung, welche alle zuvor definierten (elektrischen) Spezifikationen erfüllt. Der analoge Entwurfsprozess ist heutzutage ein sehr zeitintensives Unterfangen, insbesondere im Ver- gleich mit dem digitalen Entwurfsprozess. Durch seine diskrete und damit etwas abstraktere Natur ist der digitale Entwurfsprozess sehr effizient, u.a. da dem Designer Werkzeuge zur Verfügung stehen, die ein hohes Maß an Automatisierung ermöglichen. In modernen integrierten Schaltungen mit einem hohen In- tegrationsgrad machen die analogen Schaltungsteile zumeist nur einen kleinen Anteil der gesamten Fläche aus. Trotzdem sind der Aufwand und somit die Kosten des Entwurfs unverhältnismäßig groß verglichen mit den digitalen Teilen. Einhergehend mit immer kürzer werdenden Entwurfszeiten wird der analoge Teil auf einem Mikrochip zunehmend der beherrschende Kosten- und Zeitfaktor. Darüber hinaus verspricht der Fortschritt der Prozesstechnologien höhere Geschwindigkeiten mit geringerem Energieverbrauch bei klei- nerer Fläche, was die Hersteller dazu zwingt, Schritt zu halten, um weiterhin konkurrenzfähig zu bleiben. Analoge Schaltungen haben die inhärente Eigenschaft schwer wiederverwertbar zu sein, da das Portieren von einem Technologieknoten zum Nächsten nicht selten einher geht mit veränderten Betriebsbedingun- gen, wie bespielsweise verringerten Versorgungsspannungen. Dies führt zumeist zu einem vollständigen Neuentwurf der meisten analogen Schaltungsteile. Diese daraus entstehende Produktivitätslücke bei der Synthese zwischen analogen und digitalen Schaltungen ist die Hauptmotivation für diese Arbeit. In Letz- terer werden neuartige, deterministische Verfahren zur vollautomatischen Synthese von analogen Schal- tungen vorgestellt und demonstriert. Dabei konzentriert sich das hier vorgestellte Framework mit dem Namen FEATS überwiegend auf die Topologiesynthese. Im Mittelteil werden die wesentlichen Konzepte und Algorithmen präsentiert, die Verwendung finden. Der Syntheseablauf ist im Wesentlichen in drei Schritte unterteilt. Zunächst werden die Eingabedaten für die Synthese vorbereitet. Hierbei werden primär die Basisblöcke betrachtet, die zunächst als Grund- lage zum Generieren weiterer Basisblöcke benutzt werden. Daraufhin werden abschließende Konsistenz- prüfungen an den Basisblöcken vorgenommen und zusätzliche (automatisch zu generierende) Informatio- nen in eben diesen untergebracht. Schließlich folgt noch ein wichtiger letzter Schritt: Die Klassifizierung der vorliegenden Basisblöcke in sogenannte abstrakte Basisblöcke. Es werden mehrere Basisblöcke zu einem abstrakten Basisblock zusammengelegt, abhängig von dessen Eingangs- bzw. Ausgangsspezifikationen. Dieser Schritt zielt darauf ab, die Berechnugskomplexität des Synthesealgorithmuses zu verringern und entspricht im weitesten Sinne einem Verhaltensmodell getriebenen Analogentwurf. Der Synthesealgorithmus sowie dessen Schritte auf dem Weg zu einer fertigen Schaltung werden ausführlich besprochen, um dem Leser einen genauen Einblick in die internen Algorithmen und Kon- zepte zu ermöglichen. Hierbei werden (Synthese-)Regeln eingesetzt, die verschiedene Entwurfsschritte (möglichst abstrakt) realisieren und darüber hinaus eine konsistente Schnittstelle für die Manipulation und Analyse von Schaltungen darstellen. Konstruktive Synthese benutzt konstruktive Regeln sowie destruktive Regeln um Topologien zu gene- rieren, welche ausschließlich aus abstrakten Basisblöcken bestehen. Der gesamte Entwurfsraum wird dabei exploriert und wird in seiner Ausdehnung nur von den destruktiven Regeln begrenzt. Topologie Expansion ist der nächste Schritt, in dem die zuvor generierten Topologien zu realen Schal- tungen expandiert werden. Schaltungsanalyse realisiert einen sehr wichtigen Vorauswahlschritt. Hierbei ist das Ziel die Schaltun- gen möglichst frühzeitig aus der Synthese auszuschließen, falls sich Eigenschaften finden lassen, die diese mit einer hohen Wahrscheinlichkeit als untauglich klassifizieren. Der Letzte dieser drei Schritte ist ebenso im Detail beschrieben. Dabei handelt es sich einerseits um einen Isomorphiealgorithmus, welcher zuverlässig Schaltungen aussortiert, die mehrfach vorhanden sind. Andererseits wird eine schnelle Analyse präsentiert, welche Schaltungen mit invertierter Verstärkung iden- tifiziert und von der folgenden Dimensionierung ausschließt. Darüber hinaus werden in diesem Schritt die propagierten elektrischen Nebenbedingungen in ein System von Ungleichungen zusammengefasst. Die- ses lässt sich im Folgenden auf nicht-Lösbarkeit überprüfen und liefert in diesem Fall eine zuverlässige Voraussage, ob dies bei einer tatsächlichen Realisierung der Schaltung ebenso eintreten wird. Die automatisierte Dimensionierung der Schaltungen ist unabdingbar um Analogsynthese zu betrei- ben. In FEATS wird dies durch ein kommerziell verfügbares Produkt namens WiCkeD realisiert. Letzteres ermöglicht eine automatisierte, Skript-getriebene Dimensionierung einer Schaltung. Die hierfür benötigten Daten werden vollautomatisch vom Framework erzeugt und bereitgestellt. Ein wichtiges Merkmal des realisierten Konzeptes ist die asynchrone Verteilung von (Dimensionerungs-) Aufgaben an eine beliebige Anzahl von Fremdsoftwareinstanzen, d.h. der Aufgaben Distributor dient nicht nur der Evaluierung re- spektive, Dimensionierung der Schaltungen, sondern ist wie in ?? zu sehen auch noch für das transparente Skalieren der verfügbaren Softwarekapazitäten verantwortlich. Abschließend werden umfangreiche Analysen und Ergebnisse des vorgestellten Frameworks präsentiert. Hierbei wird die Möglichkeit ergriffen, anhand von realen Schaltungssynthese Beispielen den Ablauf des Syntheseprozesses im Detail zu beleuchten. Die hier gewählten Beispiele sollen eine möglichst breite Ab- deckung der möglichen Einsatzgebiete von FEATS repräsentieren: Operationsverstärker dienen als Referenzschaltung, entsprechend wird demonstriert wie das Frame- work mit Leichtigkeit eine Vielzahl von Lehrbuchschaltungen sowie ungewöhnliche Schaltungen ge- neriert und erfolgreich bzgl. gewünschter Spezifikationen dimensioniert. Elliptischer Tiefpass Filter 3. Ordnung präsentiert die Skalierbarkeit des vorgestellten Frameworks. Dabei wird die Synthese in mehreren Hierarchien ausgeführt, um in der höchsten Hierarchie eine fertige Schaltung zusammensetzen zu können. Das hierbei vollständig automatisiert synthetisierte Analogmodul enthält mehr als 200 Transistoren und präsentiert eindrucksvoll die Leistungsfähigkeit der hier vorliegenden Methode. Zusammengefasst läßt sich feststellen, dass die hier vorgestellten Konzepte die Möglichkeit bieten, den Entwurf von analogen Schaltungen um signifikante Größenordnungen zu beschleunigen. Darüber hinaus wird demonstriert, dass die analoge Schaltungssynthese während des Entwurfsprozesses zahlreiche Vorteile bieten kann, die dazu führen, dass schneller bessere Schaltungen erzeugt werden, die Produktivität des Designers wird massiv erhöht und schließlich kann dieser seine Fähigkeiten gezielter einsetzen und auf die echten Probleme des Analogentwurfs richten, anstatt Tage oder sogar Wochen auf den manuellen Schaltungsentwurfprozess zu verschwenden.