Введение к работе
Актуальность проблемы. Основной тенденцией развития
микроэлектроники является повышение степени интеграции микросхем. Согласно знаменитому прогнозу, сделанному в 1965 г. и известному с тех пор как закон Мура, условное число транзисторов в наиболее скоростных процессорах удваивается каждые полтора года. Разумеется, эта тенденция не может сохраняться вечно, и уже с 90-х годов XX в. разные специалисты периодически высказывают мысль о том, что в своем развитии микроэлектроника вплотную подошла как к технологическому пределу увеличения размеров кристаллов СБИС и УБИС, так и к дальнейшему повышению «плотности» размещения компонентов на кристалле. Среди множества конструкторско-технологических проблем, которые приходится решать при проектировании и производстве микроэлектронных изделий, можно выделить следующие.
На первом месте стоит проблема уменьшения размеров элементов интегральных схем. Уже сейчас оборудование для производства процессоров Intel Pentium 4, использующее в процессе литографии излучение с длиной волны 248 нм, позволяет получить на кристалле элементы размером 130 нм. По данным компании Intel уже в настоящее время удалось уменьшить размеры отдельного транзистора примерно до 30 нм, что составляет всего несколько десятков атомных слоев. По-видимому, естественный предел дальнейшему росту степени интеграции СБИС и УБИС будет положен явлениями разупорядочивания структуры материалов за пределами окон в фоторезистах. На более фундаментальном уровне он может быть обусловлен ограничением чистоты применяемых полупроводников и статистическим характером распределения в них дефектов и примесей. Судя по наблюдаемой тенденции, этот предел может быть достигнут примерно к 2015 г.
Увеличение степени интеграции микросхем и, следовательно, функциональной сложности ведет к росту рассеиваемых тепловых потоков и локализации источника тепла в составе РЭС. Поэтому второй проблемой,
связанной с ростом степени интеграции СБИС и УБИС, т.е. с уменьшением как
размеров самих элементов, так и расстояний между ними, является проблема
теплоотвода. В условиях естественного воздушного охлаждения допустимая
поверхностная плотность теплового потока для современных микросхем не
превышает 0,05 Вт/мм2, что ограничивает плотность размещения элементов на
подложке. Для преодоления этого ограничения в РЭС все чаще используются
принудительные способы охлаждения, в том числе на уровне отдельных
интегральных микросхем.
Следует отметить, что тенденции развития микроэлектроники во многом
изменили и концепцию проектирования радиоэлектронных средств. Для
построения разнообразных интерфейсных узлов, устройств управления, контроля
и других в настоящее время широко используются приборы программируемой
логики, представителями которых являются ПЛИС. Современные образцы ПЛИС,
выполненные по 0,22-микронной технологии, способны работать на частотах до
300 МГц и реализуют до 3 млн. эквивалентных логических вентилей. Это
позволило разработчикам сконцентрировать в едином модуле такое количество
"логики", которое раньше можно было разместить лишь на нескольких
функциональных ячейках, выполненных на корпусированных интегральных
микросхемах. Таким образом, радиоэлектронные устройства с регулярной
структурой и относительно малыми рассеиваемыми мощностями на элементах
были вытеснены более компактными и быстродействующими устройствами с
локализованными теплонагруженными источниками тепла. Из-за повышенной
сложности расчет теплового режима современных радиоэлектронных устройств
становится чрезвычайно трудоемкой задачей, которая не может быть решена без
применения САПР. В настоящее время в практике проектирования РЭС находят
применение САПР (Catia, Ansys, SolidWorks и др.), предназначенные для решения
широкого спектра инженерных задач: вибропрочности, оптики, расчета тепловых
режимов, газо- и гидродинамики. Модели, по которым производится решение
перечисленных задач в САПР, строятся по методу конечных элементов.
Универсальность, являясь несомненным преимуществом названных САПР,
создает сложности в их применении к решению конкретных инженерных задач и ведет к неоправданно высокой трудоемкости подготовки данных и затратам машинного времени. Так например расчет показателей теплового режима сборки блоков обработки информации АФАР с принудительным воздушным охлаждением на ЭВМ с четырехядерным процессором и восемью гигабайтами оперативной памяти занимает более 12 часов, а расчет показателей теплового режима компьютерной видеокарты при естественном воздушном охлаждении занимает более 3 часов. Поэтому актуальной является постановка и решение задачи повышения эффективности применения САПР при расчете тепловых режимов РЭС.
Целью работы является разработка методов повышения эффективности САПР, использующих алгоритмы, основанные на методе конечных элементов в расчетах тепловых режимов РЭС.
Для достижения поставленной цели в работе решены следующие основные задачи:
Разработана математическая модель нелинейной дискретизации сетки КЭ, связывающая параметры конструкции РЭС с шагом сетки КЭ.
Разработаны алгоритмы оптимизации шага сетки КЭ в области источника тепла, позволяющие определить значение шага сетки КЭ, соответствующего заданной точности результатов расчета показателей теплового режима.
Определены статистические значения весовых коэффициентов, связывающих параметры конструкции в области источника тепла с шагом сетки КЭ.
Предложена программная реализация алгоритмов автоматизированного регулирования сетки КЭ, позволяющая оптимизировать шаг сетки КЭ модели для решения задач расчета показателей теплового режима РЭС.
Методы исследований. При проведении исследований использованы теоретические положения метода конечных элементов, математического анализа, программирования, а также теория тепло-массообмена в РЭС и методы статистической обработки результатов эксперимента.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
Разработана математическая модель нелинейной дискретизации сетки КЭ, составляющая основу построения тепловых моделей РЭС при автоматизированном расчете показателей теплового режима.
Разработаны алгоритмы оптимизации шага сетки КЭ в области источника тепла в автоматизированном режиме, устанавливающие соответствие шага сетки заданной точности расчета.
3. Предложена методика определения коэффициентов, связывающих
конструктивные параметры РЭС с величиной шага сетки КЭ.
4. Получены количественные оценки эффективности методики
автоматизированного регулирования шага сетки КЭ при расчете показателей
тепловых режимов РЭС.
Практическая значимость результатов работы заключается в разработке методики автоматизированного регулирования сетки конечных элементов, позволяющей производить расчет по сложным тепловым моделям в САПР при ограниченных аппаратных ресурсах, а также снизить трудоемкость использования САПР и затраты машинного времени при расчете показателей теплового режима РЭС.
Реализация и внедрение результатов работы:
Результаты работы были использованы на предприятии ОАО НПЦ "Электронное приборостроение" при выборе параметров системы охлаждения теплонагруженного блока АФАР, что подтверждено соответствующим актом использования результатов работы.
Достоверность полученных в работе результатов подтверждена сравнением показателей тепловых режимов ряда РЭС, полученных расчетом в САПР SolidWorks по разработанным моделям с экспериментальными значениями показателей.
Апробация результатов работы:
Основные результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили положительные отзывы на ежегодной научно-технической конференции молодых ученых и студентов ФРЭЛА "Информационные технологии и радиоэлектронные системы" (Москва, 2007г.)., ежегодной научно-технической конференции молодых ученых и студентов ФРЭЛА "Информационные технологии и радиоэлектронные системы" (Москва, 2008г.), ежегодной научно-технической конференции молодых ученых и студентов ФРЭЛА "Информационные технологии и радиоэлектронные системы" (Москва, 2009г.).
Публикации:
По результатам исследований опубликовано 6 печатных работ, в том числе 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 4 публикации в материалах конференций и сборниках тезисов докладов.
Основные положения, выносимые на защиту:
Математическая модель нелинейной дискретизации сетки КЭ.
Алгоритм автоматизированного определения оптимального шага сетки КЭ в области источника тепла при заданной точности расчета показателей теплового режима РЭС.
3. Методика определения весовых коэффициентов, связывающих
конструктивные параметры РЭС с шагом сетки КЭ.
4. Результаты оценки эффективности методики автоматизированного
регулирования шага сетки КЭ при расчета показателей тепловых режимов РЭС в
САПР Solid Works.
Структура и объем работы:
Диссертационная работа изложена на 126 машинописных страницах и состоит из введения, четырех разделов, заключения и списка использованных источников. Иллюстративный материал представлен в виде 73 рисунков и 19 таблиц. Список литературы включает 70 наименований.
