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功率器件技术 SiC器件 强化学习 ★ 5.0

一种物理信息辅助的深度强化学习方法用于大规模TSV阵列的信号与电源完整性优化

A Physics-Assisted Deep Reinforcement Learning Methodology for Signal and Power Integrity Optimization of Large-Scale TSV Arrays

作者 Bingheng Li · Ling Zhang · Hanzhi Ma · Li Jiang · Yan Li · Jun Fan
期刊 IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology
出版日期 2025年5月
技术分类 功率器件技术
技术标签 SiC器件 强化学习
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 硅通孔阵列 信号完整性 电源完整性 深度强化学习 优化
语言:

中文摘要

高带宽内存(HBM)中硅通孔(TSV)阵列的信号完整性(SI)和电源完整性(PI)优化对于提高系统可靠性至关重要。然而,以往的研究大多侧重于单独的 SI 或 PI 优化,尚未实现具有良好收敛性的 SI/PI 优化。基于 TSV 阵列 SI/PI 优化的物理机制,本文提出了一种新颖的物理辅助深度强化学习(DRL)方法。开发了一种分治策略来处理大规模 TSV 阵列。利用物理机制设计 DRL 方法的细节,从而将不同的优化场景(SI 优化、PI 优化和 SI/PI 协同优化)统一到一个单一的过程中,设计人员可以根据设计要求定制优化目标。结果表明,在各种优化场景下,我们的方法实现了出色的收敛性,并且与现有最先进的 DRL 方法相比,所找到的最终解决方案具有更低的串扰和更低的电源噪声。

English Abstract

The signal integrity (SI) and power integrity (PI) optimization of through-silicon via (TSV) arrays in high-bandwidth memory (HBM) is crucial for enhancing system reliability. However, previous studies mostly focused on individual SI or PI optimization, and have not achieved SI/PI optimization with excellent convergence. Based on the physical mechanisms for the SI/PI optimization of TSV arrays, this article proposes a novel physics-assisted deep reinforcement learning (DRL) methodology. A divide-and-conquer strategy is developed to handle large-scale TSV arrays. The physical mechanisms are utilized to design the details of the DRL methodology, thereby unifying different optimization scenarios (SI optimization, PI optimization, and SI/PI co-optimization) into a single process, where designers can customize the optimization objectives based on the design requirements. The results show our methodology achieves excellent convergence and finds the final solutions with lower crosstalk and lower power noises than the state-of-the-art DRL approach across various optimization scenarios.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项基于物理辅助深度强化学习的硅通孔(TSV)阵列信号与电源完整性优化技术,对我们的高功率密度产品开发具有重要参考价值。

在光伏逆变器和储能变流器领域,功率半导体模块的集成度不断提升,多芯片封装和3D集成技术正成为提高功率密度的关键路径。该论文针对高带宽存储器中TSV阵列的串扰和电源噪声问题提出的协同优化方法,其核心思想可迁移至我们的IGBT模块、SiC功率模块的互连设计中。特别是在大规模并联功率器件的母排设计、多层PCB的电源分配网络优化方面,信号完整性与电源完整性的协同考虑同样至关重要。

该技术的创新点在于将物理机制融入深度强化学习框架,并采用分治策略处理大规模优化问题。这种方法论对我们开发新一代1500V高压储能系统、多电平拓扑逆变器时的电磁兼容设计具有启发意义。通过AI辅助的优化设计,可显著缩短产品迭代周期,降低实验验证成本。

然而,技术应用仍面临挑战:首先,功率电子系统的物理模型比数字电路更复杂,涉及热-电-磁多物理场耦合;其次,深度强化学习需要大量训练数据,而高压大功率实验数据获取成本高昂;第三,算法的实时性能否满足动态工况下的在线优化需求有待验证。

建议我们的研发团队关注该方向,探索将物理知识驱动的AI方法应用于功率模块封装设计、电磁干扰抑制等领域,这将成为提升产品竞争力的重要技术储备。