Введение к работе
Диссертационная работа посвящена разработке математического, алгоритмического и программного обеспечения, предназначенного для решения систем нелинейных обыкновенных дифференциальных уравнений (ОДУ), описывающих поведение цифровых интегральных схем ультра большой ' степени интеграции (УБИС) с учетом временной разреженности. Предлагаемый в данной работе маршрут решения ОДУ предполагает многократное решение систем линейных алгебраических уравнений (СЛАУ). Разработанный метод позволяет учесть распадающуюся структуру сформированной СЛАУ и тем самым значительно понизить размерность задачи.
Актуальность проблемы
Широкое применение изделий микроэлектроники явилось причиной активного развития научно-технической базы в микроэлектронной промышленности. Уже почти на протяжении трех десятилетий степень интеграции интегральных схем (ИС) ежегодно удваивается. Если в начале 10- годов ставилась задача автоматизации прсектирования и производства схем, содержащих десятки элементов, то сегодня необходимо создавать цифровые схеыы, содержащие десятки миллионов элементов (УБИС). Такое бурное развитие микроэлектроники стало возможным благодаря технологическому прогрессу, который требует соответствующего уровня развития систем автоматизированного проектирования (САПР).
В настояще?» время наибольшее распространение получили два метода проектирования - лолуэаказнсй и
заказной. Первый из них применяется при проектировании мелкосерийных БИС (ИС большой степени интеграции), не имеющих экстремальных характеристик, а второй - при проектировании крупносерийных БИС, к характеристикам которых предъявляются высокие требования. Маршрут проектирования полузаказных схем предполагает моделирование на схемотехническом (СхТ) этапе элементов логического базиса, в рамках которого ведется проектирование ИС, в то время как при проектировании заказных схем кроме этого необходимо провести моделирование всей схемы целиком. Современный уровень развития программно-аппаратного обеспечения на этапе СхТ проектирования не позволяет рассчитывать проекты УБИС целиком в приемлемые сроки. Такой расчет может длиться несколько недель или месяцев. Для сокращения временных затрат проект обычно моделируют по частям, представляющим законченные функциональные блоки, что приводит к потери точности и может привести к дополнительным ошибкам.
Численные методы решения систем ОДУ относительно невысокого порядка к настоящему времени уже достаточно хорошо изучены. Наиболее перспективным направлением дальнейшего снижения вычислительных затрат и увеличения размерности решаемой системы ОДУ является учет специфических особенностей прикладных задач. Таким образом, разработка нового метода решения систем нелинейных обыкновенных дифференциальных уравнений, учитывающего временную разреженность УБИС и позволяющего существенно снизить время моделирования цифровых УБИС, является актуальной задачей.
Цель работы
Целью диссертационной работы является разработка численного метода решения систем нелинейных ОДУ, уменьшающего время моделирования цифровых УБИС на этапе СхТ проектирования (СхТП) и позволяющего эффективно решать жесткие системы ОДУ, а также разработка алгоритмического и программного обеспечения, реализующего данный метод. Разработка указанного обеспечения проводилась с использованием теории электрических цепей, теории множеств и линейной алгебры, теории графов, численных методов решения систем линейных, трансцендентных и дифференциальных уравнений, теории структурной организации хранения и управления данными, методов системного программирования.
Разрабатываемый метод, при использовании его в программах СхТП, должен:
получать решение системы нелинейных ОДУ, описывающей временное поведение УБИС, с заданной точностью;
обеспечивать значительное снижение временных затрат при моделировании цифровых УБИС, характеризующихся временной разреженностью;
рассчитывать аналоговые и цифро-аналоговые схемы за время, необходимое при использовании традиционных методов интегрирования;
но требовать чрезмерных дополнительных затрат оперативной памяти при программной реализации.
Научная новизна работы;
1. разработан численный метод решения систем нелинейных
ОДУ, учитывающий декомпозицию СЛАУ на распадающиеся
' подсистемы при возникновении латентных процессов в цифровых ИС на этапе схемотехнического моделирования;
-
поставлена и решена задача разбиения множества активных уравнений на несвязные между собой подмножества;
-
разработан обобщенный способ представления структурного описания ИС на этапе СхТ проектирования;
4.предложен унифицированный подход к созданию программ -трансляции структурного описания СхТ проектов.
Практическая значимость работы
Разработано алгоритмическое и программное обеспечение для использования в программах СхТ проектирования, реализующее предложенные методы и подходы. Разработанное программное обеспечение состоит из следующих основных частей:
1. библиотека функций для учета распадающейся структуры СЛАУ, позволяющая использовать как точные методы решения независимых подсистем ЛАУ (с учетом или без учета разреженности), так и итерационные методы; 2.библиотека функций, организующих хранение и управление обобщенным представлением структурного описания электрической схемы и обеспечивающих унифицированный подход к созданию программ трансляции на этапе СхТ проектирования.
Внедрение результатов работы
Разработанное программное обеспечение, является составной частью подсистемы СхТ проектирования в Комплексе Инженерных Программ Автоматизированного Расчета Интегральных Схем (КИПАРИС). Зарегистрированная версия указанной подсистемы - Analog Simulator 50000. В настоящее время САПР КИПАРИС внедрена в Государственном НИИ Физических Проблем (Гос. НИИФП) им. Ф.В. Лукина, Государственном центре компьютерных технологий «Силикон-Телеком Софт», а также используется в учебном процессе в Московском государственном институте электронной техники (МИЭТ).
Положения, выносимые на защиту:
1.численный метод решения систем нелинейных ОДУ, описывающих поведение ИС во времени, основанный на формировании независимых подсистем ЛАУ, который позволяет существенно снизить временные затраты при моделировании цифровых УБИС, характеризующихся временной разреженностью;
2.критерии подбора методов решения СЛАУ для расчета независимых подсистем ЛАУ;
3. обобщенное представление структуры ИС, позволяющее унифицировать хранение и управление проектами в программах схемотехнического моделирования и снижающее временные затраты при работе с ним;
4,унифицированный подход к построению программ трансляции входных проектов в программах схемотехнического моделирования, сокращающий время разработки новых трансляторов.
Апробация работы
Основные положения и результаты диссертационной работы были представлены на следующих конференциях: Межвузовская научно-техническая конференция "Микроэлектроника и информатика - 96", МИЭТ, 1996г.; Межвузовская научно-техническая конференция "Микроэлектроника и информатика - 97", МИЭТ, 1997г.; Третья международная научно-техническая конференция "Микроэлектроника и информатика", Москва, Зеленоград, 1997г.; Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика - 98", МИЭТ, 1998г.; Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика - 99", МИЭТ, 1999г.
Публикации
По вопросам САПР ЙИС автором опубликовано 14 работ, в том числе 9 по теме диссертационной работы, список которых приведен в конце автореферата. Результаты исследований также отражены в отчете о законченной НИР.
Структура и объем диссертации
Диссертационная работа состоит из введения,
четырех глав, заключения, списка используемых
сокращений, списка литературы и приложений. Работа
изложена на 162 листах машинописного текста,
включает 42 рисунка и 5 таблиц. Список
используемой литературы содержит 57 наименований.
