基于贝叶斯优化的微流控生物芯片控制层可靠布线

《IEEE Transactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems》：Reliable Control-Layer Routing for Microfluidic Biochips via Bayesian Optimization

　　摘要：基于流体的微流控生物芯片是自动化生化实验的主要平台。一个主要的设计挑战在于控制层，其中微阀通过连接到外部控制器的端口进行气动驱动。这些端口非常占用面积，必须放置在芯片边缘，以避免外部管路在显微镜观察过程中造成干扰。本文介绍了一种新颖的控制层布线方法，将微阀连接到用户定义的周边边界。为支持控制多路复用，我们开发了一种专用的总线布线方案，将目的地为同一边界的微阀捆绑在一起，创建一个便于多路复用器集成的总线。对于其他微阀，我们将它们聚类成组，每组通过基于树的布线结构由单个控制端口管理，以最小化端口数量，然后将它们布线到芯片边界。我们形式化地分析了固有的权衡关系，即聚类减少了控制端口数量但增加了布线拥塞。一种由动态邻近阈值控制的层次聚类算法解决了这一权衡。此外，一个并行贝叶斯优化（BO）框架通过确定最优布线顺序来增强布线过程。我们还提出了一种面积高效、容错的临界控制通道结构，以提高对阻塞缺陷的可靠性。实验结果证实，我们的方法成功地将所有微阀布线到其指定的边界，同时支持多路复用器集成。与最先进的方法相比，我们的方法显著减少了控制端口使用，缩短了总布线长度，加速了优化，并提高了可靠性。