Введение к работе
Актуальность темы. Непрерывно возрастающие требования к техническим характеристикам микросхем приводят к необходимости совершенствования технологии их проектирования и производства.
При проектировании микроэлектронной аппаратуры (МЭА) особую значимость приобретают вопросы прогнозирования и оптимизации ее статистических характеристик в условиях воздействия эксплуатационных факторов.
Учитывая, что сложность микроэлектронных устройств (МЭУ) постоянно растет, что требования к качественным характеристикам также повышаются, задача разработки высоконадежной аппаратуры может быть решена при дальнейшем совершенствовании, развитии и внедрении систем автоматизированного проектирования (САПР), в том числе систем схемотехнического проектирования (ССП) при использовании современной информационной технологии проектирования.
Одним из важнейших показателей качества микросхемы являются статистические характеристики ее функциональных параметров при заданных входных воздействиях. Входные воздействия включают в себя: статистический разброс параметров элементов и компонентов микросхем, определенный для данного базового технологического процесса; дестабилизирующие факторы (ДФ), влияющие на работоспособность микросхем.
Известные отечественные (ДИСП-ПК, АСОНИКА, КАПР-3 и др.) и зарубежные (Pspice, Biter, Mikro - Cap, Saber) программные комплексы и системы, предназначенные для автоматизированного проектирования электронных схем и МЭУ, не позволяют прогнозировать и обеспечивать, в условиях воздействия ДФ надежность схемных функций аналоговых интегральных схем (ИС) и микросборок (МСБ), так как не имеют проблемно-ориентированных подсистем с соответствующей информационной базой, математическим и программным обеспечением.
Решению вопросов, связанных с исследованиями в этой области, посвящен ряд работ, выполненных на кафедрах САПР и ИС, КиПРА Воронежского государственного технического университета. В частности, разрабатывались алгоритмы и модели для надежностного схемотехнического проектирования аналоговых микроэлектронных устройств.
Однако недостаточно разработаны методы статистической оптимизации и сокращения затрат машинного времени при статистических расчетах в условиях комплексного воздействия ДФ, отсутствует системный подход к оценке характеристик надежности элементов МЭУ (заключающийся в разработке методов совместного учета априорной и текущей информации), не используется проверка однородности представленной информации (при задании исходной статистической информации о параметрах элементов и компонентов микросхем), позволяющая обоснованно объединить статистические данные, полученные на разных этапах исследования.
Таким образом, актуальность темы определяется необходимостью сориентировать существующие программные комплексы схемотехнического проектирования на статистическое моделирование аналоговых МЭУ и развить теоретический аппарат в направлении разработки методов, алгоритмов и моделей для повышения эффективности ССП за счет прогнозирования начальной схемной надежности микросхем с учетом комплексного воздействия ДФ.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с межвузовской комплексной профаммой 12.11. "Перспективные информационные технологии в высшей школе" и в рамках одного из основных направлений Воронежского государственного технического университета "Системы автоматизации проектирования производства".
Цель работы и задачи исследования - разработка методов и алгоритмов получения вероятностных моделей элементов и компонентов микросхем для использования их на этапе схемотехнического и конструкторского проектирования и создание на их основе проблемно-ориентированной подсистемы прогнозирования и оптимизации схемной надежности аналоговых микросхем с учетом комплексного воздействия дестабилизирующих факторов.
Основными задачами работы являются:
формирование вероятностных моделей пассивных и активных элементов и компонентов аналоговых МЭУ, учитывающих влияние ДФ для повышения эффективности ССП аналоговых МЭУ;
оценка числовых характеристик законов распределения параметров микросхем с использованием метода максимального правдоподобия;
разработка алгоритмов автоматизированного моделирования активных компонентов микросхем;
разработка программных модулей формирования статистических моделей элементов и компонентов микросхем, учитывающих влияние конструктивно-технологических факторов, режима по постоянным составляющим, частоты и дестабилизирующих факторов для повышения точности исходной информации;
реализация предложенных алгоритмов и моделей в подсистеме прогнозирования и оптимизации начальной схемной надежности микросхем;
разработка информационного и профаммного обеспечения и анализ эффективности их использования в специализированной подсистеме.
Методы исследования основываются на теории системного анализа, методах вычислительной математики, объектно-ориентированного программирования, теории цепей и полупроводниковых приборов, а также на новых информационных технологиях.
Научная новизна. 1. Метод повышения эффективности ССП МЭУ за счет прогнозирования начальной схемной надежности микросхем в условиях воздействия дестабилизирующих факторов, основанный на оценке вероятностных характеристик параметров элементов и компонентов микросхем при использовании метода максимального правдоподобия.
-
Теоретико-вероятностные модели элементов и компонентов аналоговых микросхем, используемые при статистических расчетах и оптимизации, отличающиеся учетом случайного разброса статического режима и влияния ДФ.
-
Метод представления режимной зависимости параметров элементов эквивалентной схемы транзистора, позволяющей упростить вычислительные процедуры при формировании библиотеки моделей активных компонентов.
-
Алгоритм автоматизированного формирования модели АК микросхем, отличающийся учетом стохастической взаимосвязи между параметрами модели.
-
Алгоритмические процедуры анализа и идентификации параметров моделей активных компонентов МЭУ, позволяющие учесть влияние режимных, частотных, температурных и радиационных факторов. Предложена математическая модель надежности микросхем в условиях неопределенности исходной информации или недостаточности объема статистических данных об отказах элементов и компонентов на основе теории размытых функций.
-
Подсистема прогнозирования и оптимизации начальной схемной надежности, отличающаяся возможностью разработки аналоговых микросхем с повышенной эксплуатационной надежностью, основу математического, программного и информационного обеспечения которой составляют предложенные методы, модели и алгоритмы.
Практическая ценность.
Представленные в диссертации исследования являются результатом научной работы, проведенной в Воронежском государственном техническом университете в рамках хоздоговорных и госбюджетных научно-исследовательских работ.
Практические результаты выполненных в диссертационной работе исследований можно разделить на две части, имеющие значение для научных применений и инженерных задач. В научном плане развитые и разработанные методы, модели и алгоритмы являются основой для развития математического обеспечения САПР аналоговых МЭУ, они нашли применение для разработки программного обеспечения подсистемы прогнозирования и оптимизации начальной схемной надежности микросхем. Прикладное значение работы связано с созданием ряда инженерных методик и программных средств, ориентированных на пользователей-схемотехников с предоставлением им доступных средств оптимального проектирования и позволяющих решать на этапе схемотехнического проектирования задачи разработки аналоговых МЭУ с повышенной начальной схемной надежностью с учетом влияния ДФ.
Реализация и внедрение результатов работы.
Результаты работы внедрены и используются в АООТ «ОКБ ПРОЦЕССОР», НИИЭТ, НИИ "Вега" (г. Воронеж).
Научные результаты внедрены в учебный процесс Воронежского государственного технического университета по специальности: 200800- «Проектирование и технология радиоэлектронных средств».
Апробация работы.
Научные результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:
Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы анализа и обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем» (Пенза, 1998); Всероссийском совещании-семинаре «Высокие технологии в региональной информатике» (Воронеж, 1998); Международной научно-технической конференции и Российской научной школе «Системные проблемы надежности, математического моделирования и информационных технологий» (Москва, 1998, 1999,2000); VI Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники» (Таганрог, 1999); Всероссийской конференции «Интеллектуальные информационные системы» (Воронеж, 1999, 2000); Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых и студентов, посвященной 104-й годовщине Дня Радио «Современные проблемы радиоэлектроники» (Красноярск, 1999, 2000); IV Международной электронной научной конференции «Современные проблемы информатизации» (Воронеж, 1999); научно-технических конференциях Воронежского государственного технического университета в 1998-2000 гг.
Публикации.
Основные результаты диссертации опубликованы в 24 печатных работах.
Структура и объем работы.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, изложенных на 159 страницах, содержит 25 рисунков, 15 таблиц, список литературы из 123 наименований и 4 приложения.
