Разработка и исследование эволюционных алгоритмов для моделирования схемотехнических решений Бегляров, Вадим Валерьевич

Введение к работе

Актуальность темы. В настоящее время для создания конкурентоспособной высокотехнологичной радиоэлектронной аппаратуры необходимо применение современных систем автоматизации проектирования (САПР), которые являются быстроразвивающимся наукоемким направлением прикладных исследований. Эффективность применения САПР определяется программными средствами, обеспечивающими качество проектирования электронно-вычислительной техники (ЭВТ) и максимально ориентированными на разработчика.

Современный этап развития СБИС (сверхбольшие интегральные схемы) характеризуется нанометровым уровнем проектирования, использованием элементов с новыми физическими принципами работы и появлением технологий, позволивших создавать на одном кристалле аналого-цифровые схемы и системы с высокой степенью интеграции. Такие схемы имеют широкую область применения: радиотехнические схемы и системы; схемы высокоскоростной беспроводной, цифровой и спутниковой связи; системы позиционирования; радары; схемы управления и дистанционного измерения в промышленности; схемы визуализации и многое другое.

Переход на нанометровый уровень проектирования позволил значительно повысить степень интеграции СБИС. При этом возникла необходимость учета аналоговых явлений при проектировании цифровых устройств, электромагнитных взаимодействий между межсоединениями на кристалле, а также возникающих паразитных RLC-параметров. Это привело к увеличению общего числа параметров электрических схем, а, следовательно, и необходимости моделирования всей СБИС целиком или больших ее участков на предельно детальном схемотехническом уровне.

Для увеличения эффективности всего процесса проектирования СБИС на нанометровом уровне необходимо применение методов, способных повысить эффективность моделирования на схемотехническом уровне и обеспечивающих высокую точность моделирования за приемлемое время. Разработка высокоэффективных методов и алгоритмов автоматизации проектирования ЭВТ на сегодняшний день является одним из основных направлений развития САПР ЭВТ.

Вследствие увеличения количества параметров схем и, соответственно, размера системы уравнений математических моделей СБИС, одной из острых проблем становится решение систем уравнений большой размерности.

Традиционные методы решения уравнений математической модели схемотехнических решений не всегда способны эффективно решать системы уравнений данного типа. Следовательно, необходима разработка новых методов, способных увеличить общую производительность САПР ЭВТ. В противном случае произойдет увеличение времени моделирования и анализа математических моделей СБИС; рост численности проектных групп разработчиков; увеличение числа проектных ошибок вследствие снижения точности моделирования; ограничение тактовых частот и т.д.

Разработке новых методов решения уравнений математических моделей и увеличению эффективности схемотехнического проектирования в настоящее время посвящено множество как отечественных, так и зарубежных публикаций. Среди публикаций по теме исследования можно выделить труды Русакова, С.Г., Норенкова, И.П., Анисимова, В.И., Дмитриевича, Г.Д., Петренко, А.И., Сигорского, В.П., Перминова, В.Н., Денисенко, В.В., Kuh, E.S., Sangiovanni- Vincentelli, A.L., Kuehlmann, A., Nelson, V.P., Kundert, K.S. и т.д. Следовательно, задача разработки модифицированных методов решения уравнений математических моделей схемотехнических решений, способных увеличить общую производительность САПР ЭВТ, является АКТУАЛЬНОЙ.

Целью диссертационной работы является разработка модифицированных методов, ориентированных на решение уравнений математических моделей СБИС, и алгоритма решения систем линейных алгебраических уравнений, получаемых на схемотехническом этапе проектирования, увеличивающих эффективность схемотехнического проектирования.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести анализ эффективности существующих методов решения уравнений математических моделей, применяющихся в САПР ЭВТ.

2. Разработать модифицированные методы решения систем линейных алгебраических уравнений (СЛАУ) и систем нелинейных уравнений большой размерности, полученных на схемотехническом этапе моделирования СБИС.

3. Разработать методику решения уравнений математических моделей СБИС.

4. Разработать гибридный эволюционный алгоритм решения систем линейных алгебраических уравнений большой размерности, полученных на схемотехническом этапе моделирования СБИС.

5. Разработать инструментальную среду конструирования и исследования эволюционных алгоритмов для подсистемы схемотехнического проектирования ЭВТ и подключаемый модуль для САПР ЭВТ, реализующий разработанные модифицированные методы.

6. Провести экспериментальное исследование разработанного алгоритма для подтверждения теоретических исследований.

Положения, выносимые на защиту:

6. 1. Модифицированные методы решения систем линейных алгебраических уравнений и систем нелинейных уравнений большой размерности, полученных на схемотехническом этапе моделирования СБИС.

   2. Методика решения уравнений математических моделей подсхем СБИС.

   3. Гибридный эволюционный алгоритм, ориентированный на решение уравнений математических моделей схемотехнических решений.

   4. Инструментальная среда разработки и исследования эволюционных алгоритмов для подсистемы схемотехнического проектирования ЭВТ.

   5. Кроссплатформенный подключаемый модуль для решения уравнений математических моделей схемотехнических решений.

   Методы исследования в диссертационной работе основаны на использовании элементов теории алгоритмов, вычислительной математики, теории оптимизации, аппарата эволюционных вычислений и теории планирования экспериментов.

   Научная новизна работы состоит в:

   разработке модифицированного метода, способного повысить эффективность решения систем линейных алгебраических уравнений (СЛАУ) большой размерности, полученных на этапе моделирования схемотехнических решений за счет улучшения соотношения времени выполнения и погрешности решения (стр. 67);

   разработке модифицированного метода, способного повысить эффективность решения систем нелинейных уравнений большой размерности, полученных на этапе моделирования схемотехнических решений, за счет улучшения соотношения времени выполнения и погрешности решения (стр. 68);

   разработке методики решения уравнений математических моделей подсхем СБИС, повышающей эффективность этапа схемотехнического проектирования (стр. 68 -71);

   разработке гибридного эволюционного алгоритма, ориентированного на решение уравнений математических моделей подсхем СБИС, полученных на этапе моделирования схемотехнических решений (стр. 73-106).

   Практическую ценность работы представляют:

   кроссплатформенный подключаемый модуль, основанный на модифицированных методах решения уравнений математических моделей схемотехнических решений. Данный модуль может быть использован в индустриальных САПР ЭВТ (стр. 109-110);

   инструментальная среда разработки и исследования эволюционных алгоритмов (стр. 110-124).

   Реализация результатов работы. Основные теоретические и практические результаты диссертационной работы использованы в госбюджетных работах, проводимых в Южно-Российском государственном университете экономики и сервиса:

   аналитической ведомственной целевой программе «Развитие научного потенциала высшей школы» (2009-2011 годы)» по теме «Разработка и исследование бионических алгоритмов вычислительной математики для подсистемы схемотехнического проектирования РЭА» (код проекта 2.1.2/9625);

   аналитической ведомственной целевой программе «Развитие научного потенциала высшей школы» (2009-2011 годы)» по теме «Разработка и исследование реконфигурируемых гибридных эволюционных аппаратных средств» (код проекта 2.1.2/9981);

   в рамках госзадания Минобрнауки РФ по проекту 8.3383.2011 «Теоретические основы проектирования нового поколения СФ блоков систем связи, телекоммуникаций и технической диагностики на основе радиационно- стойких технологий (SiGe, АБМК_1_3/4 и др.)» (ЮРГУЭС-02.12.ГЗ) (2012-2013 гг.).

   Материалы диссертации также использованы в учебном процессе:

   на кафедре «Информационные системы и радиотехника» в ЮжноРоссийском государственном университете экономики и сервиса;

   на кафедре «Информационные технологии» в Волгодонском институте сервиса Южно-Российского государственного университета экономики и сервиса.

   Результаты диссертационной работы были использованы:

   в проектно-конструкторской и производственной деятельности ООО «Лайт- 09» (р.п. Каменоломни, Октябрьский р-н, Ростовская обл.) при изготовлении, пуско-наладке и эксплуатации элементов системы управления наружным освещением;

   в деятельности Научно-исследовательской лаборатории автоматизации проектирования (НИЛ АП, ООО) при разработке алгоритмов автоматической настройки ПИД-регуляторов для автоматизированных систем управления технологическим процессом.

   Апробация работы. Основные научные и практические результаты работы докладывались, обсуждались и были одобрены на следующих конференциях и конгрессах:

   международные конгрессы по интеллектуальным системам и информационным технологиям «IS&IT'09», «IS&IT'10», «IS&IT' 11», «IS&IT'12».

   международные научно-практические конференции «CAD-2009», «CAD- 2010», «CAD-2011», «CAD-2012;

   международная научная конференция «Теория операторов. Комплексный анализ и математическое моделирование» (г. Волгодонск, 24-29 августа 2009г.);

   международная научно-практическая интернет-конференция «Информационные технологии в науке и образовании» (декабрь-2009 - март 2010);

   межрегиональные научно-практические конференции молодых ученых и студентов «Научный потенциал молодежи - будущему России» (г.Волгодонск, 23 апреля 2010г., 29 апреля 2011 года, 20 апреля 2012 года, 19 апреля 2012 года,);

   всероссийские научно-практические конференции «Актуальные проблемы техники и технологии» (г. Шахты, 16.05.2008г. и 19.05.2011г.).

   Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 11 печатных работ, в том числе 4 статьи в изданиях, входящих в «Перечень ведущих научных журналов и изданий, выпускаемых в Российской Федерации», утверждённых ВАК. Получено 8 свидетельств о государственной регистрации программ для ЭВМ. Материалы вошли в 6 отчетов по НИР.

   Структура и объем диссертационной работы. Диссертационное исследование состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы из 126 источников, содержит 3 приложения. Работа изложена на 188 страницах, содержит 50 рисунков и 17 таблиц.

   Похожие диссертации на Разработка и исследование эволюционных алгоритмов для моделирования схемотехнических решений

   

   Разработка и исследование алгоритмов решения задачи размещения компонентов СБИС с учетом временных задержекЛежебоков Андрей Анатольевич

   

   Разработка и исследование генетических алгоритмов решения задач компоновки элементов и трассировки СБИСИщенко Станислав Николаевич

   

   Разработка и исследование бионических алгоритмов решения задачи параметрической оптимизации для автоматизации схемотехнического проектированияСтороженко Андрей Сергеевич

   

   Разработка и исследование комбинаторных алгоритмов для решения оптимизационных задач конструкторского проектирования ЭВА Горин Валентин Сергеевич

   

   Разработка и исследование моделей и алгоритмов решения Евклидовой задачи Штейнера для трассировки электрических соединенийОрлов Николай Николаевич

   

   Разработка и исследование алгоритмов компиляционного формирования и решения математических моделей ИС на этапе схемотехнического проектированияБулах, Дмитрий Александрович

   

   Разработка и исследование интегрированных алгоритмов размещения элементов на основе методов эволюционного моделированияБалюк Любовь Владимировна

   Разработка математического, алгоритмического и программного обеспечения для решения систем нелинейных обыкновенных диыыеренциальных уравнений ультра больших размерностей при схемотехнирческом моделировании цифровых КМОП интегральных схемПерминов, Владимир Николаевич

   Разработка и исследование методов решения задачи многослойной глобальной трассировки СБИС на основе моделей адаптивного поведения природных системВоронин, Егор Ильич

   

   Разработка и исследование методов применения систем поддержки принятия решений на основе нечетких моделей в задачах проектирования информационно-вычислительных сетейСолодовников Андрей Юрьевич