Введение к работе
Актуальность. Основу злем-линэй базы современной микроэ-дектрошюй аппаратуры (МЭЛ) и вычислительной техники составляют большие интегральные микросхем (БИС), широкое применение которых позволяет сущест у нно улучшать характеристики создаваем! х устройств - повысить быстродействие и надежность снизить габариты, массу и мощность потребления. Поэтому весьма ваяюй является задача повышения эффективности автоматизированного проектирования БИС, разработки новых средств прикладного программного обеспечения (ПО) САПР JHC, позволяющих достичь требу >мый уровень ісачества и надежности, при сокращении сроков разработки.
Современные БИС представляют собой весьма сложный гбъе т проектировали (ОП), что вызывает необходимость применения принципа декомпозиции, в соответствии с которым БИС раздел, ется на ряд иерархических уровней и аспек "ов. Этот по я я приводит к делении процесса проектирования ЕИС на ряд этапов', физкко - топологического, системного, функционально - логического, схемотехнического, коиструктсрско-топологического проектирования.
Таі«и структура процесса разработки БИС выдвигает пр олему согласования и пзанмного учета решений, принимаемых -:а отдельных этапах, для получения оптимального проекта в целом, что обусловлено тесной взапмоевг ъ:э кеш кса физика - технологических, функционально - схемотехнических и ютнетруктореккх вопросе в при проектировании и пзготоггешш ЕИС.
Одной их Естгепкк проблем, требугазпх обязательного реиекия и учета на ссек отавах проектирования БИС, является обеспечение нормального теплового' режима (ТР). Прогр ее в области микроэлектроники сбеотряе.' данную проблему. Такие тенденции з оС лети создания петых микросхем, как переход к субмикро"ной гохної гкп, повышение степени интеграции, увеличение размеров кристаллоз, рост быстродействия ведут к возрастанию удельной тепловой іаі -рузки и, соответственно, к усилен' ю температурных ьозде :ству.й. Позтсму теплефизнческсо проектирование (ТФП) становится неотъемлемой частью процесса разработки БИС, чг,о требует наличия в составе интегрировпшей САПР БИС специальных средств моделирования и оптимизации темпер?турных полей. Тают сСрззсм актуальность тем; дпссертоциснпс; работы заісячается в носбходи/остн разработки методов и средств теллоілзического прсег.гиронпнии, направленных ;;а получение проектов ЕИС, опт,".:;!знрогя!!нчх как по унк-
ционально-конструї торским. так и тепловым кр: ;риям. и реализация на основе данного подхода программно-методкческого комплекса (П?"К) тешюфизуческого трое стиров/шия в САПР ЗИС.
Работа выполнялась в соответствии с комплексной программой ГКНТ и ЛН СССР 0.80.02 (задание 35.01.08), межвузовской целевой программой САЛР Минвуза РОЗСР КНП- 2000 "Повышение качества и надежности продукции, программного обеспечения ЗВЧ и ехнических средотв обучения", госбюджетными НИР ГБ 5/91 'Моделирование и оптимизаі ия интегрированных САПР" и ГВ 63/92 "Разработка методов и программных средств для интеллектуализации процессі оптимального проектирования в интегрированных САПР ", основным научным направлением ВГТУ "Чсследоваиие и разработка САІР, роботов и ГАП".
Целью работы является разработка и практичег ия реализация средств моделирования и оптимизации топлоеых режимов микросхем для создания программно-ме одического комплекса тешюфизи»*ес согр проектирования в САПР БИС.
Да достижения поставленной цели в работе решались следую
щие задачи: ..<
анализ процесса автоматизированного теплофизического проектирования ВИЗ;
разр; 5о'ка структуры г.роблемно - ориентированного 1Ш .теп-л^фиэическогп проектирования в САПР БИС;
построешг» комплексное теплофизичесіюй модели БИС, обеспечивающей моделирование температурньс полей всех иерархически \ ровней инструкции БИС на различных этапах проектирования, и соответствующих математических .пл^лгЛ;
выбор и разработка мзтодог моделирования температурных полей БКГ, сличающихся высокой точностью и быстродействием, поз-t )Лішг'ш реализовать интерактивный режим работы подсистеш;
созда ие оптимиза ионных моделей и методов, направленных на синтез вариг. пов конструкции БИС ( корпус, "теплоотвод, кристалл) с 01 гкмасышм тепдовы», режимом:
формиро>аиие алгоритма иерархического моделирования температурных тлей и алгоритмов оптимизации тепловых характеристик БИС;
разработка програшного и информационного обеспечения (ИО) создаваемого ПМК теї лофишместго проектирования БИС.
Метода исследования оснсзываются на теорій системного ана лива, методах математической физики, вычислительно*! математики, математического программирования и оптимизации, теплообмена, структурного программирования.-
Нг:/чная новизна работы заключается в следующем:
-
сформулированы -.ринципы псотроения проблемно-ориентир 1-ванного ПМК тепло-язического проектирования БИС, обеспечивающие рациональный выбор выполняема функций и проектных процедур.
-
Разработана комплексная теплофизическгл модель БИС, охватывающая все иерархические уровни конструкции v обеспечивающая проведение анализа и оппшнзации теаиовых режимов за различных этапах проектирования, допускающая совместнее использование с моделями топологического проектирования и ориентированная га г --томатгзированно& построение теплових моделей конкретних конструктивно-технологических структур БИС.
-
Предложены методы и алгоритмы модели? її шия температурных полей как БИС-в челом, таї- и ее элементов, отличающиеся пз-можностыо автоматизированного выбора тошости, высоким быстродействием и ориентированные па интерактивный реким взаимодействия с пользователем.
-
Созданы методы и алгоритмы оптимизации температурлих полей БИС, отличающиеся возможностью использования различных критериев оптималыгост.; и примеис шя на разных этапах проеістирова-иия, позволяющие проводить многокритериальный выбор иаисоя< е рационального варианта іюн трукции.
-
Разработана структура I2.S< т( плофизического і роектироаа-иия БИС, а "также алгоритмическая схема использования и взаимодействия проеістньїх процедур моделирования і оптимизации, ориентированная на псддеркку процесса сквозной автоматизирот мшой разработки БИС.
праятячйсяая гш»пост& работы заключается т следующем;
использование предложенных моделей и методов анализа те ипз-ратурных . полей в САПР БИС позволгет сократить время мсделирова-шт ТР при обеспечении точности получаемых результатов 5-7 % к реализовать іштерактившй режим работа пользователя;
применен!» разработанных методов ТФП БЯС на основе многокритериальной оптимизации параметров конс.'рука- і повышает иадгк-
ность создаваемых микросхем за счет полученш пти.(ального распределения температурного поля;
разработано программ» е и информационн іе обеспечение ГМК оптимального теплофизического проектирования в САПР БИС.
Роалгшацгш результатов работа. Результаты исследований использовались її пяти НИР, шполненных в ВГТУ. Разработанный программно-методический комплекс теплофизического проект; ооваиия БИС внедрен на трех предприятиях электронной лро,.лжшшости (НПО ' Злектрочиїїа", НИК электронной техники, ОКБ при заводе "Процессор", г. Воронеж) с суммарным экономическим эффектом 332.46 тис. руб. в ценах 1990-1992 г., что подтверждено актами внедрения.
Программные с\едства моделирования и і птим}зацнн 'тепловых режимов БИС используэгся в учебном процессе на кафедре 'Системы Є ітоматизировавиого проекта ювания" ВГТУ.
Апробация работа, Основие положения и результаті-' диссертационной работы' докладывал! зь и обсуждались на следующих к >нфе-ренцнях, симпозиумах, совещаниях и се-инарах: Всесоюзном науч-iio-те} н- ческом симпозиуме "Надежность и качество в приборост{ ое-нии и радиоэлектронике" (Ереван, 1086 г.)-, второй Всесоюзной конференции "Прием и анализ сверхнизкочастотных колебаний- естественного происхождения" (Вороне.к, 1987 г.); зона >ной коррекции "іУіточьі прог юзировтния надежности проектируемых РЭА и < ЗА" (Пета, 1988 г.); Всесоюзном совещании-семинаре " Разработка и оптимизация САПР Г/Л изделий электрон» й техники на базе высокопроизводительных' мини- и микр .-ЭВМ" (Воронеж, 1989 г.); ;евятом Всесоюзном симпозиуме "Эффективность, качество и над ясность систем "Человек - техник;" (Во; онея, 1990 г.); Российской научно-технической ісонференцин " Методы оценки и повышения надежности ?ЭС" (Пенза, 1991 IV Всесоюзной школе-семинаре " Раз-І'аіотка и Бксплуатация САЛР в радиоэлектронике" (Челябинск, 1991 г.); исвсі ином совещг ши-езминаре "Интерактивное проектирование технических устройств и автоматизитсванных систем на персональных ЭВМ" (Воронеж, Iі 91): Всесоюзной научно-технической конференции " Перспективы развития «.применения средств вычислительной техник. для моделирования' и автоматизированного исследования" (мюква, 1991 г.); Российсісом совещании-семинаре "Оптимальное проектирование технических устройств и автоматизированных систем" (Вороной, 092 г.); Всероссийском совещан и-семшгар'»
"Высокие технологии в проектирзвании технически устройств и ав. томатизированных систем" (Воронеж, 1993 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликована 21 печатная работе.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырехглав, заключэш, списка использованных источника', включающего 125 тименований, и 11 приложений. Работа изложена на 162 страницах машинописного те;:ста и содержит 25 рисунков.
