Введение к работе
Диссертация направлена на решение научно-технической задачи развития методологии проектирования полузаказных микросхем на базовых матричных кристаллах (БМК) и создание программных средств проектирования, ориентированных на применение имитаторов микросхем при разработке аппаратуры специального, двойного и народно-хозяйственного назначения.
Актуальность темы диссертации. Непрерывное обновление и расширение номенклатуры и ассортимента радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) требует разработки специализированных микросхем. Для аппаратуры специального назначения при всей важности экономических показателей, определяющими факторами являются высокая надёжность, долговечность, повышенная стойкость к внешним воздействующим факторам (ВВФ), низкое энергопотребление, высокая функциональность, оперативность разработки и возможность поставки в заданные сроки, длительный период поддержания производства больших интегральных микросхем (БИС). При этом потребность в специализированных микросхемах конкретных типов может быть крайне низка и составлять сотни и даже десятки микросхем. Кроме этого, для подавляющего большинства аппаратуры специального назначения обязательным является применение отечественной электронной компонентной базы.
Специализированные микросхемы можно разделить на три группы: заказные, программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС) и полузаказные БИС на БМК. Принято считать, что полностью заказные микросхемы обеспечивают максимальную функциональность, надёжность и стойкость к ВВФ, минимальную стоимость при массовом производстве, но требуют максимальных затрат на этапе разработки и освоения производства и для производства малых партий БИС не эффективны. ПЛИС имеют более высокое энергопотребление, дополнительные элементы для специализации, что снижает надёжность микросхем и определяет их более высокую стоимость по сравнению с заказными БИС. Полузаказные БИС занимают промежуточное положение между полностью заказными и ПЛИС. По показателям надёжности, энергопотребления и стойкости они сравнимы с заказными БИС, в тоже время по длительности цикла разработка - изготовление - поставка сопоставимы с циклом разработка - поставка - специализация ПЛИС. Производство БМК, как правило, поддерживается в течение длительного времени (более 15 лет).
Таким образом, выбор способа реализации специализированных БИС для специальной аппаратуры определяется множеством критериев, но, как правило, именно полузаказные БИС обеспечивают наилучшее соотношение показателей. Однако, в сравнении с ПЛИС полузаказные БИС имеют существенный недостаток. При отработке аппаратуры часто требуется оперативное изменение проектов специализированных БИС, что легко достигается при применении ПЛИС, но не может быть реализовано на полузаказных БИС. Поэтому высокую актуальность приобретает совершенствование методологии разработки аппаратуры, ориентированное на использование отечественных БИС на БМК и обеспечивающее сокращение сроков проектирования за счёт применения методов прототипирования проекта полузаказной БИС средствами имитатора БМК на ПЛИС.
Состояние исследований по проблеме. Методология проектирования аппаратуры, в том числе специального назначения, создавалась на этапе применения дискретных элементов и микросхем малой и средней степени интеграции, набор которых был весьма ограничен. Средства проектирования были недостаточно развиты, в основном использовались экспериментальные методы разработки.
Следующим шагом в развитии методологии разработки аппаратуры стало применение в составе аппаратуры БИС, реализованных на основе БМК. При этом разработка аппаратуры ориентирована на конечный результат в виде опытного образца, пригодного для серийного производства. Процесс разработки микросхем выполняется на основе отработанных методов, средств и маршрутов проектирования. Разработка выполняется средствами систем автоматизированного проектирования (САПР), учитывающими особенности конкретных серий БМК.
Дальнейшим развитием методологии разработки аппаратуры стало применение ПЛИС. Простота перепрограммирования ПЛИС позволяет оперативно корректировать проект, за счёт чего достигается значительное сокращение времени разработки. Методология проектирования аппаратуры с применением ПЛИС направлена на быстрейшее получение макетных образцов, и, как следствие, отличается отсутствием строгих требования к качеству проектирования. При этом разработка макетного образца изделия выполняется на ПЛИС с последующим перепроектированием в полузаказные микросхемы на БМК.
Известны следующие методы перевода ПЛИС в базис БМК: использование БМК, структура которых адаптирована под структуру ПЛИС,
применение унифицированной библиотеки ячеек ПЛИС и БМК, использование языка высокого уровня для перехода из базиса ПЛИС в базис БМК. Однако, вследствие различий конструкций, динамических характеристик, схемотехнической реализации библиотечных ячеек в большинстве случаев не удаётся выполнить автоматическое конвертирование проекта ПЛИС в базис БМК.
Следующим шагом в развитии методологии разработки аппаратуры стала попытка сокращения срока разработки опытного образца изделия за счёт объединения на печатной плате посадочных мест под ПЛИС и БИС на БМК, предложенная группой авторов А. Кошарновский, Е. Дегтярёв, М. Критенко, С. Цыбин, А. Быстрицкий. При этом разработка макетного образца выполняется на ПЛИС, выбранной с учётом последующей замены её на БМК, а на печатной плате формируется совмещённое посадочное место под ПЛИС и БМК, что сокращает затраты на разработку печатной платы опытного образца. Однако, данная методология разработки имеет ряд существенных недостатков и ограничений, а именно, необходимым является условие превышения размера корпуса БМК над корпусом ПЛИС, на печатной плате опытного образца создаются значительные фрагменты схемы обслуживания ПЛИС, по площади превышающие площадь корпуса БМК, и не используемые совместно с БМК. При этом остаётся нерешённой проблема оперативного перевода проекта ПЛИС в базис БМК.
Проведенный анализ известных методологий разработки аппаратуры специального назначения с применением полузаказных микросхем и ПЛИС показывает, что они наряду с явными преимуществами имеют и значительные недостатки. Методология разработки аппаратуры с применением БИС на БМК базируется на отработанных методах, средствах и маршрутах проектирования, ориентирована на получение годных микросхем при первом изготовлении. Качество проектирования обеспечивается средствами САПР, которые учитывают специфику конкретных серий БМК и технологические особенности их изготовления. Основными недостатками этой методологии являются невозможность исследования и отработки проектов микросхем в аппаратуре до их изготовления, значительные сроки изготовления макетных и опытных образцов. Методология разработки аппаратуры с применением ПЛИС, напротив, имеет возможность отработки проекта микросхемы средствами ПЛИС в составе аппаратуры, но требует полного перепроектирования проекта микросхемы в базис БМК, что ведёт к значительному удорожанию и увеличению сроков разработки. Таким образом, к началу диссертационной работы не было предложено эффективных методологий разработки аппаратуры, объединяющих в себе преимущества методологий разработки аппаратуры с применением полузаказных микросхем и ПЛИС.
Цель и задачи диссертации.
Целью диссертации является развитие методов проектирования аппаратуры на полузаказных БИС на основе предложенных способов и алгоритмов их функционального прототипирования и имитации на основе ПЛИС, что обеспечивает сокращение сроков, уменьшение стоимости и повышение качества образцов новой техники.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
исследовать существующие методологии проектирования аппаратуры специального назначения, в том числе с применением БМК;
исследовать методы и средства проектирования специализированных микросхем;
разработать конструктивно-функциональные принципы реализации и конструкции имитаторов БМК на ПЛИС, позволяющие создавать функциональные аналоги полузаказных микросхем, конструктивно совместимые с корпусами БМК;
разработать метод прототипирования и алгоритм разработки полузаказных микросхем с отработкой проектов микросхем в составе аппаратуры на имитаторах БМК;
разработать средства взаимодействия проектировщик - система при проектировании аппаратуры специального назначения с применением имитаторов БМК;
провести анализ существующих библиотек ячеек, определить состав базовых ячеек библиотеки БМК и разработать их функциональные аналоги в базисе ПЛИС;
разработать алгоритм оперативной конвертации проекта микросхемы из базиса БМК в базис ПЛИС;
разработать алгоритм промежуточной и финишной аттестации проекта микросхемы перед специализацией имитатора БМК и при подготовке к сдаче в производство;
реализовать предложенные алгоритмы оперативной конвертации и аттестации проекта микросхемы в составе программных средств САПР полузаказных БИС,
оценить эффективность разработанных методов и средств проектирования полузаказных микросхем.
Научная новизна результатов, полученных в настоящей работе, заключается в следующем:
- разработана методология разработки аппаратуры с применением
полузаказных микросхем на БМК, основанная на новых методах
взаимодействия проектировщика с САПР и позволяющая проводить отладку
аппаратуры с использованием функциональных прототипов микросхем на
имитаторах БМК;
разработан базовый алгоритм проектирования полузаказных микросхем, обеспечивающий исследование проекта микросхемы до её изготовления в составе аппаратуры на имитаторах БМК и реализованный в САПР «Ковчег»;
разработана базовая методика конвертации проекта полузаказной микросхемы из базиса БМК в базис ПЛИС фирмы Xilinx;
разработана методика аттестации проекта микросхемы, основанный на исследовании поведения проекта микросхемы в условиях изменяющихся внешних факторов с учётом технологического разброса параметров транзисторов.
Практическая значимость результатов, полученных в процессе работы над диссертацией:
в составе САПР полузаказных БИС «Ковчег» реализованы программные средства оперативной конвертации и аттестации проекта микросхемы;
создано семейство имитаторов для прототипирования проектов микросхем, разработанных на БМК серий 5503, 5507, 5521, 5529, получивших широкое распространение при проектировании аппаратуры космического и специального назначения;
разработаны функциональные аналоги библиотечных ячеек БМК в базисе ПЛИС;
применение метода прототипирования и аттестации проектов микросхем перед изготовлением позволили обеспечить получение микросхем, удовлетворяющих техническому заданию, при первом изготовлении в более чем 90% случаев.
Технический эффект заключается в повышении качества проектирования и существенном сокращении сроков разработки полузаказных микросхем и аппаратуры на их основе за счёт возможности оперативной коррекции проектов микросхем при отладке средствами имитаторов в аппаратуре. В результате с непосредственным участием автора были выполнены более 50 ОКР по разработке более 120 типов полузаказных микросхем на основе БМК.
Экономический эффект заключается в снижении затрат на разработку и изготовление макетных, экспериментальных и опытных образцов микросхем и аппаратуры на их основе за счёт уменьшения количества итераций при разработке.
Результаты, выносимые на защиту:
методология разработки аппаратуры с применением полузаказных микросхем на основе новых методов взаимодействия проектировщика с САПР, позволяющая получать функциональные прототипы разрабатываемых микросхем на имитаторах БМК;
алгоритм проектирования полузаказных микросхем средствами САПР, обеспечивающий исследование и отладку проекта микросхемы в составе аппаратуры с использованием имитатора БМК до передачи микросхемы в производство;
алгоритм аттестации проекта микросхемы в условиях изменяющихся внешних и внутренних факторов до конвертации в имитатор и перед изготовлением микросхемы для обнаружения скрытых дефектов проекта;
базовая методика конвертации проекта полузаказной микросхемы из базиса БМК в базис ПЛИС фирмы Xilinx;
семейство имитаторов, обеспечивающих прототипирование проектов микросхем, реализованных на отечественных БМК специального назначения.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были представлены докладами на следующих научно - технических конференциях: 8 Международная конференция «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники» (г. Таганрог: октябрь 2002г.), IV Международная научно-техническая конференция "Электроника и информатика -2002" (Москва, Зеленоград, ноябрь 2002г.), Международная научно-техническая конференция "Тонкие пленки и слоистые структуры" (Москва, ноябрь 2002 г.), IV научно-практическая конференция «Проблемы обеспечения изделий авиационной и ракетно-космической отрасли высококачественной элементной базой» (г. Сочи, октябрь 2003г.), Всероссийская конференция «Пути повышения радиационной стойкости микросхем на основе БМК для космических аппаратов». ( г. Санкт-Петербург, 2008г.), Третья Всероссийская научно-практическая конференция «Перспективные системы и задачи управления», (п. Домбай, апрель 2008 г.), III Всероссийская научно-техническая конференция "Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем - 2008", (г. Москва, октябрь 2008 г.), Первая Российско-белорусская научно-техническая конференция «Элементная база отечественной радиоэлектроники» (г. Нижний Новгород, сентябрь 2013 г.).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 27 работах, включая 5 статей в рецензируемых научных журналах и изданиях.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения и списка литературы, содержит 154 страницы, в том числе 82 рисунка и 13 таблиц. Список литературы включает 95 наименований.
