Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние средств автоматизированного проектирования микроэлементной базы для систем управления двойного назначения 11
1.1. Направление развития бортовых вычислительных комплексов для систем управления двойного назначения 11
1.2. Состояние и задачи развития микроэлементной базы для систем управления двойного назначения 19
1.3. Анализ состояния средств проектирования элементной базы нового поколения бортовых вычислительных комплексов 27
1.4. Задачи автоматизации проектирования современных радиационно-стойких микроэлектронных компонентов
для управляющих вычислительных комплексов двойного назначения 35
2. Обоснование структуры средств автоматизации проектирования радиационно-стойких КМОП, КНС БИС двойного назначения 46
2.1. Методика автоматизации проектирования нового поколения элементной базы и вычислительных систем управления на ее основе 46
2.2. Разработка базовых лингвистических средств дизайн центра 54
2.3. Технология формирования и разработка единой информационной среды дизайн центра 60
2.4 Обоснование архитектуры дизайн центра проектирования универсальной и специализированной радиационно - стойких
микросхем для вычислительных комплексов систем управления 83
2.5 Структура прикладных программных средств дизайн центра проектирования 88
3. Оценка стойкости элементной базы и математическое обеспечение расчета тепловых и термомеханических эффектов 95
3.1. Алгоритм оценки стойкости микроэлектронных компонентов к специальным факторам 95
3.2. Комплексное решение задач моделирования тепловых, термомеханических эффектов при воздействии рентгеновского излучения 103
3.2.1 Динамическая модель процессов, возникающих в конструкции микроэлектронного устройства при воздействии рентгеновского излучения 103
3.2.2. Прогнозирование тепловых эффектов 111
3.2.3 Прогнозирование термомеханических эффектов 119
3.3. Методика расчета стойкости микроэлектронных устройств к воздействию рентгеновского излучения по тепловым и
термомеханическим эффектам 132
4. Моделирование переходных ионизационных эффектов в элементах КМОП микросхем 143
4.1. Расчет мощности дозы импульсного рентгеновского, гамма- и нейтронного излучения 143
4.2. Моделирование переходных процессов при воздействии импульсного излучения 146
4.3 Средства схемотехнического моделирования базовых элементов КМОП БИС 163
4.4. Схемотехническое моделирование базовых структур БИС при импульсном радиационном воздействии 170
5. Моделирование интегральных ионизационных эффектов в КМОП-изделиях в САПР сквозного проектирования 175
5.1. Общая методология моделирования радиационно-индуцированного накопления заряда в
диэлектрике МОП-транзистора с учетом влияния полевого оксида 180
5.2. Моделирование накопления заряда в подзатворном диэлектрике транзистора 183
5.3. Моделирование накопления заряда в диэлектрике паразитного транзистора, образованного полевым оксидом на периферии основного n-канального транзистора 208
5.4. Влияние вносимых при облучении структурных повреждений на характеристики МОП-структур 216
5.5. Моделирование статических видов радиации на схемотехническом и функционально-логическом уровнях 223
6. Особенности реализации средств автоматизированного проектирования радиационно-стойкой микросхем 240
6.1 Создание научной и промышленной базы автоматизации проектирования и производства специализированных СБИС двойного назначения и вычислительных комплексов на их основе 240
6.2. Особенности построения системы автоматизации проектирования радиационно-стойких КМОП, КНС СБИС 245
6.3. Интеграция проблемно-ориентированного программного обеспечения САПР 249
6.4. Моделирование тепловых и термомеханических эффектов 260
6.5. Моделирование ионизационной реакции от импульсного ионизирующего воздействия 277
6.6. Моделирование статического ионизирующего воздействия 286
6.7. Оценка эффективности разработанных средств 292
6.8. Создание библиотеки базовых элементов 295
6.9. Разработка ядра функционально полного комплекса БИС двойного назначения на КМОП приборах для цифровой обработки сигналов 305
Литература 310
- Состояние и задачи развития микроэлементной базы для систем управления двойного назначения
- Разработка базовых лингвистических средств дизайн центра
- Комплексное решение задач моделирования тепловых, термомеханических эффектов при воздействии рентгеновского излучения
- Средства схемотехнического моделирования базовых элементов КМОП БИС
Введение к работе
Актуальность темы. Разработка управляющих вычислительных комплексов (УВК) двойного назначения относится к приоритетному направлению технической политики нашего государства, так как они применяются в оборонной, научной, социальной и других жизненно-важных сферах деятельности. При этом особую роль играют бортовые комплексы, которые применяются для систем управления (СУ) авиационных и космических летательных аппаратов, атомных электростанций, ядерных реакторов, химических производств, так как они имеют стратегическое значение для национальной безопасности страны. Главной задачей на ближайшую перспективу является достижения научной, технической и технологической независимости от ведущих иностранных государств.
При этом ключевой задачей является обеспечение работоспособности СУ при воздействии ионизирующего излучения (ИИ), электромагнитных полей, механических нагрузок в широком диапазоне температур. Данная задача может быть решена только с применением комплексных мероприятий по совершенствованию архитектуры вычислительных систем, разработки и производства широкой функционально-ориентированной номенклатуры высокоинтегрированных микросхем, создания научной и промышленной инфраструктуры разработки, создания и испытания вычислительных комплексов, модулей и микросхем.
Среди данных мероприятий задача разработки микросхем, стойких к радиационному воздействию является особенно важной. Ее решение требует, прежде всего, совершенствования проектной среды разработки элементной базы, позволяющей разрабатывать изделия, работающие в особо жёстких условиях: радиационных и электромагнитных воздействия, широкий диапазон температур, большие механические нагрузки и т.д. При этом основной технологией является КМОП-технология, которая обеспечивает уникальные интегральные показатели: широкий спектр функциональных возможностей, высокую производительность и быстродействие, низкую потребляемую мощность, простоту изготовления и др.
Одной из основных проблем является моделирование радиационных эффектов в процессе проектирования, которое в настоящее время требует существенной модернизации. Это обусловлено коренными преобразованиями в электронной промышленности (ЭП), вследствие резкого уменьшения проектных норм, увеличения степени интеграции, созданием СБИС, включая системы на кристалле (СнК), совершенствованием традиционных и созданием новых технологий производства, что привело к усилению влияния физических процессов, в том числе и радиационного характера, степень проявления которых ранее, была пренебрежимо мала.
Следует отметить и то, что изменились условия радиационного и электромагнитного воздействия на УВК, а следовательно и на СБИС, вследствие совершенствования средств противодействия, изменение орбит полетов космических летательных аппаратов, связанное с планированием долгосрочных космических экспедиций, совершенствованием существующих и созданием новых ядерных энергетических установок. Кроме того, ужесточились требования по надежности и продолжительности функционирования аппаратуры в условиях ионизирующего излучения. Эти требования были отражены в новом комплексе государственных стандартов (КГС) «Климат-7», в котором скорректированы параметры «традиционных» видов излучения и введены новые.
Так как зарубежные средства моделирования радиационных эффектов являются самым оберегаемым секретом фирм-производителей и не продаются на мировом рынке, а известные программные комплексы, системы и подсистемы не обеспечивают моделирования всего комплекса радиационных воздействия в новых условиях для создания радиационно-стойких микросхем в области теории САПР были выдвинуты актуальные задачи, которые потребовали комплексного подхода к их решению, начиная от совершенствования физических моделей процессов и заканчиваю программной реализацией.
Диссертация выполнена по программам важнейших работ Министерства образования и науки по планам НИР и ОКР ФГУП «Научно-исследовательский институт электронной техники»: «Салон», «Форзац», «Разводчик», «Танк-5», «Трикута», «Истра-7» и др., а также в соответствии с межвузовской научно-технической программой И.Т.601 «Перспективные информационные технологии в высшей школе» и научным направлением Воронежской государственной лесотехнической академии (ВГЛТА) «Разработка средств автоматизации управления и проектирования (в промышленности)», «Разработка математического обеспечения проектирования СБИС двойного назначения».
Цель работы состоит в создании комплекса методов, моделей, алгоритмов и программных средств проектирования специализированных КМОП СБИС двойного назначения для нового поколения СУ.
Для ее реализации необходимо решить следующие задачи:
-
Провести анализ современного состояния средств автоматизации проектирования, обеспечивающей моделирование радиационных эффектов, определить проблемы и направления их развития;
-
Сформулировать требования, целевые задачи, принципы построения и обосновать архитектуру технических средств автоматизации проектирования специализированных КМОП СБИС двойного назначения для нового поколения СУ;
3. Обосновать выбор структуры проблемно-ориентированной программной
платформы автоматизации проектирования специализированных КМОП СБИС
двойного назначения для нового поколения СУ;
-
Разработать математические модели и алгоритмы моделирования тепловых, термомеханических и деградационных процессов радиационного характера в КМОП СБИС двойного назначения для нового поколения СУ;
-
Обосновать технологию формирования и осуществить реализацию лингвистического и информационного обеспечения;
-
Провести программную реализацию разработанных средств и их интеграцию в единую программную среду проектирования КМОП СБИС двойного назначения для нового поколения СУ;
-
С помощью разработанных средств разработать типовую библиотеку элементов КМОП СБИС, на основе которой создать радиационно-стойкие микросхемы, и таким образом, провести опытную эксплуатацию предложенных средств и оценить их экономическую эффективность.
Методика исследования. Для решения поставленных задач использованы: теория вычислительных систем, автоматизации проектирования, оптимизации; аппарат вычислительной математики. А также теория построения программ; методы модульного, структурного и объектно-ориентированного программирования; имитационное, структурное, и параметрическое моделирование; вычислительные эксперименты.
На защиту выносятся следующие основные научные положения:
принципы построения, архитектура технических средств автоматизации проектирования специализированных КМОП СБИС двойного назначения;
математические модели расчета динамических полей температур и механических напряжений при радиационном воздействии и после него;
математические модели ионизационного тока в р-п перехода в МОП - структурах и переходных процессов в типовых элементах микросхем при воздействии импульсного ионизирующего излучения;
математические модели деградации электропараметров типовых элементов изделий вследствие воздействия статического ионизирующего воздействия;
математические модели базовых элементов;
методика сбора, обработки, хранения, представления и обмена данными и особенности реализации лингвистических и информационных средств в рамках единого информационного пространства,
Научная новизна. В результате проведенного исследования получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:
принципы построения, архитектура технических средств автоматизации проектирования специализированных КМОП СБИС двойного назначения для нового поколения систем управления двойного назначения, обеспечивших унификацию технического, математического и программного обеспечения и заложивших основу создания единого информационного пространства сети дизайн-центров проектирования микросхем, блоков, модулей, вычислительных комплексов;
математические модели расчета динамических полей температур и механических напряжений при радиационном воздействии и после него, отличающиеся учетом особенностей современной конструкции, технологии изготовления для различных амплитудно-временных и спектрально-энергетических характеристик воздействия;
математические модели ионизационного тока в р-п перехода в МОП - структурах и переходных процессов в типовых элементах микросхем при воздействии импульсного ИИ, отличающаяся учетом особенностей субмикронных технологий, температурного режима, спектрально-энергетических и амплитудно-временных характеристик радиационного воздействия в соответствии с требованиями КГС «Климат-7»;
математические модели деградации электропараметров типовых элементов изделий вследствие воздействия статического ИИ, отличающиеся учетом микродозиметрических радиационных эффектов, характерных для субмикронных технологий, связанных с особенностями накопления заряда в элементах конструкции в соответствии с требованиями комплекса государственных стандартов «Климат-7»;
математические модели базовых элементов, которые отличаются описанием радиационных процессов, происходящих в МОП-структурах при воздействии импульсного и статического ИИ с учетом субмикронных технологий и требований КГС «Климат-7» на всех иерархических уровнях проектирования;
методика сбора, обработки, хранения, представления и обмена данными и особенности реализации лингвистических и информационных средств в рамках единого информационного пространства, соответствующих базовым принципам современных информационных технологий.
Практическая значимость и результаты внедрения. На основе предложенных решений созданы и внедрены программные средства комплексного проектиро-
вания КМОП СБИС двойного назначения в ФГУП НИИЭТ (г.Воронеж), ОАО «Ангстрем» (г.Зеленоград), реализованные на единой методологической платформе и позволяющие распространить их на предприятиях аналогичного профиля. Анализ результатов внедрения показал высокую эффективность разработанных средств.
Предложенные средства проектирования радиационно-стойких изделий использовались при создании типовой библиотеки элементов радиационно-стойких СБИС, что позволило спроектировать более 500 типовых элементов, благодаря чему была созданы СБИС серий 1867, 1830, 1874.
Разработаны и внедрены обучающие программно-аппаратные комплексы, которые эффективно используются для проведения лабораторных работ, курсового и дипломного проектирования, подготовки аспирантов, соискателей, а также для непрерывной переподготовки специалистов в Воронежском государственном техническом университете (ВГТУ) на кафедре САПР.
Предложенные решения носят универсальный характер и могут использоваться при создании подобных систем в ЭП.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на: коллегиях ряда Министерств РФ, на совещаниях департамента ЭП, семинарах ведущих предприятий по разработке элементной базы моделей и блоков.
Автор выступал с докладами на:
международных конференциях: «Системные проблемы качества, математического моделирования и информационных технологий» (Сочи 2002, 2003, 2005, 2006); «Влияние внешних воздействующих факторов на элементную базу аппаратуры авиационной и космической техники» (Королев 2002,2003); "Кибернетика.21век» (.Москва 2005); "Математические методы в технике и технологии» (Казань 2005, Воронеж 2006, Ярославль,2007); «Авиация и космонавтика» (Москва 2005); «Высокие технологии энергосбережения» (Воронеж 2005); «Наука и образование» (Воронеж 2005); «Современные проблемы борьбы с преступностью. Радиотехнические науки» (Воронеж 2006);
российских конференциях: "Радиационная стойкость электронных систем" (Москва 2002, 2003, 2005, 2006); .«Интеллектуальные информационные системы» (Воронеж 2005); «Интеллектуализация управления в социальных и экономических системах» (Воронеж 2005); «Информационные технологии» (Воронеж 2005); «Новые технологии» (Воронеж 2006); «Стойкость» (Москва 2005, 2006, 2008); «Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве» (Воронеж 2008).
Публикации результатов работы. По теме диссертации опубликовано 88 печатные работы, включая 28 работ, опубликованных в журналах определенных ВАК, 5 монографий и 5 авторских свидетельств общим объемом 1622 с (лично автором выполнено 597с).
Двадцать шесть публикаций выполнены без соавторов, личный вклад автора в работах, опубликованных в соавторстве заключается в определении целей и задач работы, разработке моделей и алгоритмов, в выполнении научно-технических исследований и анализе их результатов, в разработке основных элементов ее внедрения.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести разделов, заключения, списка использованных источников. Материал диссертации изложен на 334 страницах.
Состояние и задачи развития микроэлементной базы для систем управления двойного назначения
Известно, что развитие электронной промышленности является приоритетной областью развития экономики любой страны, что важно не только само по себе, но и во многом способствует развитию прогресса в целом: в науке, в технике, в обеспечении обороноспособности и улучшении социально-бытовых условий и качества жизни населения.
Применение и использование различных радиоэлектронных устройств определяются, главным образом, параметрами используемой в них элементной базы: степенью интеграции, быстродействием, функциональными возможностями, потребляемой мощностью, массо-габаритными показателями, надежностью и стойкостью к внешним факторам, стоимостью и т.п.
Анализ развития изделий микроэлектроники, в том числе и специального назначения, показывает, что основными тенденциями развития будут увеличение степени интеграции и как следствие увеличение функциональной сложности, уменьшение потребления, использование заказных, полузаказных ИС и БМК. При этом наблюдается тенденция к значительному расширению номенклатуры микросхем. Это обусловлено созданием новой бытовой техники с самым различным набором функций и появлением новой военной аппаратуры.
Кроме того, очевидна тенденция к преобладанию в номенклатуре ИС большой и сверхбольшой степени интеграции (БИС и СБИС), ориентированных на цифровую обработку информации в реальном масштабе времени. Развитие микроэлектроники за последние 30 лет характеризуется увеличением числа транзисторов на кристалле в 4 раза каждые три года, диаметра пластин в 2 раза каждые 15 лет, площади кристалла в 2,3 раза каждые 6 лет, стоимости производства в 2 раза каждые три года (при неизменности производственной стоимости 1 кв. см кремния), уменьшением минимальных проектных норм в 2 раза каждые 6 лет.
Также важнейшей задачей в настоящее время является удовлетворение потребностей аппаратуры в современных сложных функциональных БИС, СБИС и выхода отечественной микроэлектроники на мировой уровень с созданием технологических линий с проектными нормами 1,2...0,8; 0,8...0,5 мкм и менее, вплоть до 0,1 мкм. Следует отметить, что такие линии создаются и работают на «практике». Так в настоящее время АООТ «Анстрем» имеет аттестованные сертифицированные технологические линии с проектными нормами 1.2...0.8 мкм. Кроме того, имеется технологическая линия с проектными нормами 0.5мкм, которая в настоящее время сертифицируется.
Если рассматривать современную технологию создания элементной базы, то в ней наблюдаются структурные изменения, вызванные революционном переходом в области создания микросхем сверх высокой степени интеграции, ориентированных на определенные функции. Такие микросхемы получили название IP-блоков (Intellectual Property) или отечественное название СФ-блоков (сложно функциональных блоков) и систем-на-кристалле (СнК). СФ-блоки это законченные блоки, которые служат «кирпичиками» для дальнейших разработок и на основе которых могут быть созданы более сложные микросхемы СнК или более сложные СФ-блоки. «Система на кристалле» представляет собой вы- сокоинтегрированные микросхемы, содержащие большой набор различных функциональных модулей. При этом СнК может быть выполнена не на одном, а на нескольких кристаллах. Архитектура современной СнК представлена на рисунке 1.1.
На этом рисунке показано, что создание законченной системы необходимо, как минимум еще три внешних микросхемы (энергонезависимая память, системная память и Ethernet трансивер физического уровня). Ethernet PHY
Естественно, что наиболее выигрышным является вариант, при котором система строится на одной микросхеме — система на одном кристалле, в этом случае разработчик получает целый ряд технических и экономических преимуществ. Улучшение технических характеристик изделия заключается в сокращении времени передачи сигналов, отсутствие необходимости проведения согласования различных модулей, более широкие возможности проведения верификации, экономия места на печатной плате. Все это приводит к удешевлению общей стоимости применяемых компонентов.
Разработка базовых лингвистических средств дизайн центра
Следует отметить, что длина информационной строки не превышает 80 символов. В одной строке может быть несколько выражений, отдельные выражения могут иметь строки продолжения до появления признака конца выражения. Пробелы внутри выражения игнорируются, а внутри ключевых слов недопустимы.
Синтаксис языка можно представить в следующем виде: БИБЛИОТЕКА ::= ОПИСАНИЕ МОДУЛЯ [;.. .«ОПИСАНИЕ МОДУЛЯ ]; [END_FILE;] ОПИСАНИЕ МОДУЛЯ : := ИМЯ ТИПА ; ТЕЛО ЗАПИСИ ; сКОМАНДНОЕ CJIOBO ; ТЕЛО 3АПИСИ : := ВЫРАЖЕНИЕ [; ВЫРАЖЕНИЕ ...] ВЫРАЖЕНИЕ : := ИМЯ АТРИБУТА = ЗНАЧЕНИЕ АТРИБУТА ИМЯ АТРИБУТА : :=MOD_NAM/MOD_REF/LOG_TYP/ GRAF_CEL/DIP_CEL/SCH_CEL/PAR_CEL/ N_INP/N_OUT/PACK_PIN/EQ_CLAS... где атрибуты имеют следующие значения в порядке их перечисления: имя модуля; идентификатор ссылки; логический тип библиотечного элемента; список графических эквивалентов; имя модуля описания корпуса ; соответствующие данному логическому элементу; имя файла внутренней структуры ; имя модуля описания электрических параметров ; число входов и выходов логического элемента; список выводов типа «земля»; «питание» ; список логически эквивалентных выводов . Атрибуты, отмеченные не являются обязательными. ЗНАЧЕНИЕ АТРИБУТА : := ИМЯ / СПИСОК ИМЕН / ЦЕЛОЕ БЕЗ ЗНАКА / ЦЕЛОЕ СО ЗНАКОМ / ПУСТО СПИСОК ИМЕН ::= ИМЯ [ , ИМЯ ...] ИМЯ ::= ТЕКСТОВЬ1Й ИДЕНТИФИКАТОР ДО 12 СИМВОЛОВ
Идентификатор ссылки определяет текстовую часть уникального имени компонента схемы, для которого данный логический модуль является библиотечным описанием.
Модуль как информационный блок имеет иерархическую структуру записей. Существует головная запись, открывающая доступ к записям более низкого уровня. Понятием «порожденная запись» обозначают те записи, которые стоят на более низком уровне иерархии по отношению к головной.
Порожденная запись может быть включена в тело головной записи или задаваться отдельно от нее. В последнем случае обязательным атрибутом порожденной записи является имя модуля головной записи.
В лингвистические средства также входит разработанный язык описания входных воздействий и задания на проектирования (ЯОВВ и ЗП) [35-37].
Эффективность языка обеспечивалась за счет возможностей как символьного, так и графических способов описания, использования сокращенных и командных форм описания и автоматического формирования наиболее объемных данных, рациональных процедур манипулирования данными.
Разработанный язык предназначен для описания внешних воздействий, задания режимов моделирования, эталонной реакции цифрового блока (если она известна), результатов моделирования, которые могут включать как реакцию схемы на внешних выходах, так и на заданных внутренних линиях.
ЯОВВ и ЗП позволяет описывать входные сигналы как в символьном, так и в графическом режиме.
Основные средства описания языка организованы в виде функционального ядра, позволяющего формировать описание любой последовательности сигналов без элементов упрощения и сокращения записи. В качестве описания тестов используется модель сигналов, основанная на следующем соглашении: значение сигналов задаются из множества пятизначного алфавита (Н, Ь, X, Z, Э), где символы Н и Ь обозначают логическую 1 и логический 0 соответственно, символ X задает неопределенное или неизвестное состояние, символ Z - высоко импедантное состояние и Б — состояние создается случайным образом из логических 0 и 1, распределенных в векторе с заданной вероятностью. Все сигналы являются потенциальными, значения которых изменяются в моменты времени, кратных единице измерения. Форма задания значений сигнала — вектора целым числом в 16-ричном, 8-ричном коде или поразрядно.
Средства языка позволяют описывать сигналы в виде эквивалентных воздействий путем перечисления идентификаторов входных линий и задания значения сигналов на них. Однако, такая форма задания громоздка и неудобна для поиска ошибок и редактирования, поэтому в основу описания теста положен блок заданий, в котором выводы схемы и сигналы на них задаются с помощью векторов-идентификаторов и векторов сигналов. Блочное описание позволяет разбить множество входов тестируемого модуля на ряд подмножеств-блоков и описывать сигналы для каждого из них независимо друг от друга. Никаких ограничений по принципу разбиения в языке нет, но следуя логике функционирования предпочтение необходимо отдавать их разделению. Подобное представление сигналов позволяет повысить наглядность описания, упростить анализ результатов моделирования. Основным понятием языка при описании сигналов в символьной форме являются: абсолютное и относительное время, переход, задание списка (Н, Ь, X, Z, Э), вектор-идентификатор, вектор-сигнал.
Основой описания в символьном режиме является блок заданий, в котором выводы схемы и сигналы на них задаются с помощью векторов идентификаторов выводов и векторов сигналов.
В графическом режиме обеспечивается: создание и редактирование диаграмм сигналов, описывающих входные воздействия и функционирования цифровых блоков; одновременную обработку нескольких графических файлов сигналов; перестановку временных диаграмм для изменения порядка их обработки. Создание и редактирование диаграмм сигналов осуществляется с использованием разработанного графического редактора.
Для создания единой интегрированной информационной среды ДЦ должна быть определена технология ее формирования, для чего необходимо решить следующие задачи: - определение оптимальной архитектуры распределенной обработки, - выбор эффективной системы управления информационной БД, - стандартизация средств описания и обмена данными; - проектирование БД. В работах [38-46] проведен анализ оптимальных архитектур распределенной обработки совместно используемых данных. Предложен в качестве базовых моделей организации информационных систем полный спектр моделей "клиент-сервер", технологий их поддержки и условий применения для различных комбинаций объектов и субъектов управления.
При этом данные технологии должны предполагать как разработку новых информационных структур, так и адаптацию существующих систем к общесистемным требованиям.
Широкое распространение во многих ИС получила модель файлового сервера, поэтому наиболее целесообразным вариантом является модель удаленного доступа. Это двухуровневая модель, которая применяется в достаточно крупных корпорациях с полноценной службой поддержки и эксплуатации компьютерных систем. При этом используется технология "клиент-сервер" с развитой компонентой управления данными в виде SQL-сервера и доступом к информации сервера с помощью операторов языка SQL или функций специальной библиотеки при наличии интерфейса прикладного программирования.
Реализация данной модели может быть осуществлена с помощью следующих программных средств: сетевых операционных систем (ОС) Novell Netware, семейств Unix, Windows; многопользовательских СУБД Oracle, Informix, MySQL, Линтер; средств быстрой разработки приложений PowerBuilder, C++Builder, Visual Basic Studio.Net и ряд других, поддерживающих графический интерфейс пользователя в Windows и стандарт интерфейса ODBC в том числе и пакеты "Лакуна" и "Лакуна-Граф" (фирмы РЕЛЭКС)
В последнее время получила распространение трехзвенная схема распределения функций с выделением компоненты приложений как самостоятельного элемента. При этом функции обеспечения целостности и безопасности данных относятся к серверной части, а на платформе клиента производится выполнение прикладных задач предметной области.
Комплексное решение задач моделирования тепловых, термомеханических эффектов при воздействии рентгеновского излучения
Таким образом, в каждой точке сетки определена доза, полученная веществом при облучении. Эти значения используются в дальнейшем при расчете температуры тела непосредственно после облучения. Далее, в соответствии с динамическим рассмотрением задачи, выберем шаг квантования по времени г. Для каждого момента времени гр=рт, р = 0,1,2,..., будем рассчитывать распределение температуры и, взяв полученное распределение за начальное, рассчитываем температурные напряжения растяжения-сжатия.
Проведя расчеты указанным образом, будем иметь распределение температуры и напряжений в каждый момент времени 1р с начала воздействия импульса (о).
Такой подход позволяет контролировать возникающие напряжения в течение всего периода рассмотрения и отследить значение температуры, при котором происходит временная потеря работоспособности, расплавление или разрушение конструкции.
Прогнозирование тепловых эффектов
После расчета дозы в узлах сетки рассматриваются процессы, связанные с перераспределением тепла в изделии или тепловые эффекты.
При моделировании тепловых эффектов необходимо учитывать специфику процесса взаимодействия импульсного ионизирующего излучения с веществом. В силу того, что МУ состоит из различных материалов, которые нагреваются неодинаково, и время действия импульса очень мало, полученное изделием тепло не успевает во время облучения перераспределиться между элементами структуры. Поэтому процесс перераспределения тепла в структуре можно разделить на два: собственно нагрев в результате действия источника излучения и передачи энергии излучения элементам конструкции и перераспределения тепла между слоями МУ в течение некоторого времени когда действие источника уже отсутствует [88-89].
В соответствии с этим при моделировании тепловых эффектов решаются две отдельные задачи: 1. Расчет поля температур в момент времени непосредственно после действия импульса излучения. 2. Расчет изменения температуры в результате перераспределения тепла между структурными элементами изделия в течение некоторого времени. Дадим математическую постановку указанных задач.
Область О. состоит из 5 подобластей СУ, представляющих собой материалы с различными физическими характеристиками: плотностью р , теплоемкостью с и коэффициентом теплопроводности х"
Введем обозначения: с = с(х,у,г) — теплоемкость в точке (х,у,г), с у , = с5, р = р(х,у,г) - плотность материала с координатой (х,у,г), р\ п.=р5, Х = ж(х,У,г) коэффициент теплопроводности в точке (х,у,г), х\, п. = X Т = Т(х,у,г\1) — температура в точке (х,у,г) в момент времени I.
Рассмотрим вначале процесс мгновенного разогрева. Изменение температуры в каждой точке области О. происходит лишь за счет поглощения энергии излучения и описывается уравнением [86]
Таким образом, получена краевая задача (3.24)-(3.27) для уравнения теплопроводности в области О е Я3. Перераспределение тепла происходит в течение некоторого времени /тах, по истечении которого температура корпуса и кристалла сравнивается с температурой окружающей среды. Момент времени тах прогнозируется и обычно составляет 1000 секунд. Таким образом, мы приходим к математической задаче: В цилиндре Qt = О х [0 / /тах ] требуется найти непрерывную функцию Т(х,у,г;(), где (х,у,г)еО., удовлетворяющую уравнению срЦ- = аь (х&а(ГГ), (х,у,г)еП, г 0, (3.28) начальному условию Т(х,у,2-,0) = То (х,у,г)еП, (3.29) граничному условию = Р(Тср-Т\тХ (3.30) г и условиям сопряжения на границах раздела структурных слоев Р1г = 0, дТ = 0, (3.31) дпг Г.
На введенной в подразделе 2.1 сетке сои данная задача может быть решена численно с использованием метода суммарной аппроксимации [90]. Согласно этому методу процесс отыскания решения многомерной задачи разбивается на несколько этапов, на каждом из которых решается трехточечная разностная задача (разностное уравнение второго порядка), которая может быть трактована как разностная аппроксимация одномерного (по х, у или г) дифференциального уравнения.
Обозначим через а "х множество нерегулярных по направлению х узлов (расстояние от которых до границы не равно кх), со"у - по направлению у, а "г - по направлению г. со" - множество всех нерегулярных узлов.
Средства схемотехнического моделирования базовых элементов КМОП БИС
Моделирование реакции КМОП ИС на воздействие ИИ требует учесть все базовые элементы с учетом дополнительных элементов, отражающих функциональные и паразитные связи между ними. Такой подход широко применяется для схемотехнического моделирования ИС малой и средней степеней интеграции. Если рассматривать БИС, то большое число и сложный характер паразитных связей в общем случае не позволяют эффективно использовать этот метод и поэтому моделирование осуществляется на основе макромоделирования или упрощенных методах анализа.
Макромоделирование может быть проведено на основе расчетных и рас- четно-экспериментальных методов. Применение расчетного метода возможно, если все необходимые данные для расчета присутствуют в базе данных. Если эти данные отсутствуют, то необходимо использовать расчетно- экспериментальный метод. Он заключается в проведении испытаний на моделирующей установке гамма-импульса с известными амплитудно-временными и спектрально-энергетическими характеристиками, на основе которых определяются все параметры макромоделирования и прогнозирование реакции ИС в условиях импульсного ИИ с любыми амплитудно-временными и спектрально- энергетическими характеристиками. Если параметры макромоделирования определены и внесены в базу данных, то нет необходимости в проведении предварительных испытаний, т.е. используется расчетный метод. Библиотека исходных данных сформирована на основе результатов испытаний ИС, полученных на различных отечественных и зарубежных предприятиях электронной промышленности и в исследовательских центрах [128].
Этот метод позволяет достаточно оперативно получить реакцию ИС на ИИ воздействие. Его существование обусловлено тем, что в некоторых ситуациях требуется просто определить показатели стойкости ИС к импульсным видам ИИ для достаточно простых ИС.
Основные требования, предъявляемые к макромодели, следующие: - макромодель должна отражать наиболее существенные функциональные особенности ИС при работе в статическом и динамическом режиме в условиях ИИ; - отражать наиболее существенные радиационные эффекты гамма-, рентгеновского и нейтронного излучения по обратимым ионизационным эффектам и эффектам смещения; - обеспечивать возможность определения всех параметров макромоделирования из экспериментальных данных; - обеспечивать требуемую точность.
Выбор установки гамма-импульса в качестве моделирующей установки проведения предварительных испытаний для определения параметров макромоделирования обусловлен тем, что спектрально-энергетические и амплитудно- временные характеристики моделирующих установок гамма-импульса наиболее соответствуют характеристикам ИИ, а также то, что экспериментальное получение реакции ИС на МУ гамма- импульса является достаточно апробированным методом.
Расчетная часть опирается на основные особенности работы ИС и использует их с целью упрощения макромодели с одновременным соблюдением условия достоверности получаемых результатов.
Достоверность модели определяется из сравнения расчетных и экспериментальных результатов. Для этого, используя экспериментальные реакции полученной на одной МУ, пересчитывают эту реакцию на другую МУ. Затем проводят испытания на МУ, для которой были получены расчетные характеристики при одних и тех же уровнях ИИ, и сравнивают экспериментальные результаты с расчетными.
Оценка стойкости ИС к обратимым ионизационным и структурным эффектам заключается в определении показателей стойкости: - уровня бессбойной работы (УБР) - максимальной мощности дозы ИИ, при которой не происходит выхода параметров за пределы норм ТУ и не нарушается закон функционирования ИС. - времени потери работоспособности (ВПР) - промежутка времени, в течение которого параметры изделий не соответствуют нормам ТУ и (или) не выполняется заданный закон функционирования.
Следует отметить, что результаты сравнения экспериментальных и расчетных результатов для ИС высокой степени интеграции показали их хорошее совпадение до значений мощности доз 1012Р/с. Моделирование на основе компонентов в составе САПР Моделирование на основе учета всех компонентов основано на моделировании в составе САПР, где в качестве библиотечных элементов используются компоненты ИС [111].
Прогнозирование подразумевает получение реакции ИС на радиационное воздействие по основным электрическим параметрам, например, напряжению низкого уровня, напряжению высокого уровня, функционирование ИС и т.п. В результате получается характеристика, которая моделирует изменение электриг ческих параметров ИС от ИИ. Для прогнозирования на электрическом уровне в электрическую схему компонентов вводились данные, которые позволяли учесть радиационные эффекты.
Физическое рассмотрение процессов позволяет определить величину ионизационных токов в зависимости от технологических параметров и параметров излучения, учесть внутренние связи в каждом компоненте ИС, которые выражаются в виде дополнительных генераторов токов.
Эффективность, точность и необходимые затраты времени для моделирования радиационных эффектов определяются в основном моделями элементов ИС и способами включения в модель зависимостей изменения параметров приборов, от внешних и внутренних условий. Способы включения, реализованные в подсистеме, можно классифицировать на две группы: первая - независимое включение, вторая - с учетом взаимосвязи эксплуатационных условий работы ИС и степенью влияния внешних воздействий.
Похожие диссертации на Разработка средств автоматизации проектирования радиационно-стойкой микроэлементной базы для нового поколения систем управления двойного назначения
