Введение к работе
Актуальность темы. Уровень научно-технического прогресса
любого интеллектуально и технически развитого общества в наиболь
шей степени зависит от наличия, воспроизводства, совершенствова
ния и эффективного использования систем сверхбыстрой обработки
информации .(ССОИ).. '' ........
Узе к рубегу SO-x гг. для наиболее успешного выполнения важнейших народно-хозяйственных, военных и космических программ тре-бовалисъ ССОИ с быстродействием порядка 10 - 10 ~ бит/с;
отечественная же промышленность могла предложить только системы
Q ТО
с быстродействием 10 " - 10 бит/с.
Традиционным способом повышения быстродействия ССОЙ является увеличение тактовой частоты в БИС и СБИС, однако освоение высоких тактовых частот, привело в конце .80-х гг... к .технологическому- кри- зису, заставившему отказаться от плоскостных (единая подложка-кристалл) конструкций СБИС; последние не з состоянии превзойти диапазон 10-100 МГц, в основном, по проблемам межсоединение и надежности. Выходом из создавшейся ситуации является использование такого, принадлежащего России приоритета, как объемные интегральные схемы (ОИС) СБЧ и КЗЧ диапазонов *. 3 широком смысле ОІ'С СВЧ монет рассматриваться как микромощная или наоборот, относительно мо'лная радиоэлектронная, радиофизическая аппаратура различного назначения, оаботакжая в диапазонах УЗЧ, СЗЧ, СБЧ и КБЧ и далее -
вплоть до радиосптнческого диапазона. 3 то г.е время ОИС СВЧ к КЗ1 диапазонов - основа для создания ССОН чисто вычислительного назне чения, в которой обработка информации ведется негостя гстзекко на СЗЧ к :СЗЧ. В этих двух взаимосвязанных качествах и рассматриваются ОИС СЗЧ з диссертационной работе.
К настоящему Бремени разработана в достаточной степени полноты электродинамическая теория ОИС СБЧ, как компактных электродинамических систем с трехмерной топологией, в которых объемная передача СЗЧ сигналов г^уикшонально совмещена с их обработкой: усиление;.:, преобразованием, генерированием, фильтрацией и т.п. Теория С/КЗ СЗЧ и практические выеоцы из нее опираются на известные законы :: методы электродинамики, однако представляют самостоятельную отрасль в рамках радиофизики и инженерной электрофизики ввиду означенной выше специфики обработки СВЧ сигналов. Являясь .С.Л0.ШЛ.5К. элек,;.,родинамическшди...сис.темамк, ОИС .СВЧ .требуют для -своего схемно-конструкторского проектирования высокоэффективных интеллектуальных интегрированных САПР к полных библиотек инженерных алгоритмов и моделей, а такте максимально полного использования современных методов системно-и схемотехники и конструкторско-технологической подготовки производства.
Последующее развитие идеи ОИС в основном связывается с освоением коротковолновой части СВЧ диапазона, а также с переходом в КВЧ и рздкоолтнческий диапазоны, созданием высокоэффективных ССОй'и с разработкой инженерного обеспечения процессов проектирования и промысленного изготовления ОИС. Перечисленные тенденции в совокупности базируются на идее модульного оформленая [l J многофункциональных (І.5>) ОИС СВЧ [2-ГО], что следует из очевидного факта: именно расширение функциональных возможностей, как по числу, так и по номенклатуре функциональных узлов (ФУ), оп-- 4 -
раэдывает значительные издержки интеллектуальных, вычислительных, технических и экономических ресурсов на фундаментальные и прикладные исследования, промышленное освоение СИС СЗЧ.
Отметим есе следуаап:; аспект сазвнтпя идеи и исследований ОКС СЗЧ. Преобладающими, как по уровню исследования, так и по масштабам производства, в настоящее зтемя являются плоскостные ИС С5Ч: гибридные пленочные к полупроводниковые. Зтс не противоречит законам логики: видеть уже з ближней перспективе (до 2000-го года) дальнейшее развитие СЗЧ микроэлектроники в переходе к объемной обработке сигналов. 3 этом смысле з 1990...2010 гг. предполагается определенная паритетность плоскостных и объемных ИС CB4f8,I0j, но с нарастанием темпоз исследовании и промышленного освоения последних. При этом серийные ".1Ф СИС на рубеже середины 9С-х гг. должны быть конкурентноспособнымн по сравнению с плоскостными ИС СЗЧ (микросборками, микроблоками l] ). Таким образом, реализация МФ ОИС зависит как от степени совершенства (адаптации) промысленных технологий, так и от развития конструктивной архитектоники, системного и схемнс-кснструкторского проектирования. Раззитие идеи СИС СВЧ с переходом в принципиально новый класс мпкроэлектронных устройств - '.? ОИС - позеолит активно использовать ее наиболее ценные качества, как многофункциональных устройств и ССОИ, преодолеть "рубеж" между академическими исследованиями и инженерным проектированием, промышленным внедрением и, как итог, создать зысокоэейективные ССОИ на ОИС СЗЧ и ХБЧ, что, в первую очередь, подразумевает разработку архитектоники и методов конструкторского синтеза ?,Э ОИС. Актуальность темы подтверждается и пионерским характером проводимых в диссертации исследований .
І?ель пзботн. Создание концептуально обоснованной и логически завершенной теории 1.5 ОИС с развитием практических выводов из' нее, доведенных до уровня разработки основ инженерного проектирования и техкологичзского обеспечения производства модулей Г/Ф ОИС, а такэд внедрение полученных промежуточных и итоговых результатов в разработки ведущих отраслевых НИИ-КБ и ряда академических НИИ.
Постановки задач и методы исследований. В соответствии с поставленной (комплексной) целью выполнены исследования, направленные на создание теории МФ ОИС и практическую реализацию модулей Ш ОИС, укрупненно включающие в себя:
разработку научных основ архитектоники Ш ОИС в ее взаимосвязи с физической моделью компактной объемной электродинамической системы, а также с учетом возможностей существующих и перспективных иетодов физико-топологического и математического моделирования;"" ' " --- ''
исследование формализованных логических и структурных основ архитектоники Ш ОИС в соотнесении с основными направлениями технической реализации;
исследование, разработку широкополосной элементно-узловой базы Ш» ОИС в достаточной для реализации 'объемных модулей номенклатуре, разработку библиотек физико-топологических и математических моделей (ФИЛ и ММ) и алгоритмов автоматизированного анализа и синтеза элементов и ФУ;
разработку теоретических основ автоматизированного конструкторского синтеза модулей МФ ОИС на базе предложенного принципа "классификационного прототипа";
разработку (синтез) практических конструкций МФ ОИС СЗЧ и КВЧ диапазонов различных иерерхических классов, а также
проектирование и синтез модулей '.'і СІ'С, реализующих ССОИ;
- разработку инженерного обеспечения конструкторско-техно-
логпческих реиенпй модулей 'Э ОИС, включая модернизацию изеєстннх
технологических процессов, разработку новкх специфических процес
сов, нестандартного оборудования и оптимизацию процессов сборки,
регулировки и функционального контроля параметров.
Рабочими методами исследований являются основные-, используемые в электродинамике и теории конструирования F3A СЗЧ, методы математической физики и вычислительной алгебры (метод интегральных уравнении, вариационный :: функциональный анализ, точные и приближенные конформные преобразования, аффинные преобразования, ?'Ч0, методы Слинера и поперечных сечений (Б.З.Каценеленбаумаї, прикладные методы теории-эллиптических функций, методы Галёркина, функции Грина и уравнения Пенлеве, декомпозиционный подход - методы МАБ и АМЕ и цр, 1, а. также теория симметрии, методы маслтабиро-еэния и Физического (масштабного) моделировани, ряд методов, принципов и теорем, предложенных автором.
Достоверность натчных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных з диссертации, подтверждается:
ретроспективным анализом и научными методами прогнозирования, логическим обоснованием (с привлечением теории Гёделя я Миллера) перехода от плоскостных ИС СВЧ к ОИС и далее - к VS ОИС;
математическими выводами по объемным физическим моделям и адекватностью разработанных ФТТ' и ММ физическим (электродинамическим) процессом в элементах и ФУ ОИС СВЧ;
- результатами экспериментальных исследований ряда основных
разработанных элементов и 7 и сравнением их с результатами, по
лученными другими авторами;
докадатольстзоы выдвинутых автором основополагающих принципов и теорем, сходимостью решений уравнений,опясывапцих электродинамические ггооцессы в элементах и ФУ ОИС;
разработками практических конструкций 5У, модулей ?й ОИС различных иерархических классов, модулей CCOtf на ОМС СБЧ и НЗЧ с реальными рабочими параметрами; при этом практически все предло-кенные конструкции 7 и модулей защищены а.с. СССР;
апробацией предложенных принципов архитертоники, конструкторского синтеза, проектирования и инженерных катодов разработки модулей МФ ОИС к их элементно-узловой базы в ряде НИИ-КБ и НПО различных отраслей и академических НИИ;
- разработкой инкенерного обеспечения процессов проектирования и промышленного изготовления ФУ и собственно модулей їй ОИС, промышленное проверкой их по научно-технической, кокструкторско-технологической и экономической эффективности внедрения в прокз-
' 30ДСТЕ0. * ' ' " ' '" "
Научная новизна и основные положения, выносимые на ззіпиту.
3 диссертационной работе на основе комплексно сформулированного . .
подхода лично автором кдолнены и обоснованы фундаментальные
научные и прикладные исследования, составившие основы теории, тех
ники, автоматизированного проектирования и инженерного обеспече
ния проектирования и промышленного изготовления модулей МФ ОИС и
ССОИ/ОИС широкого назначения. К ним относятся и обладают научной
новизной; _ .. .. '
I. Разработка научных основ архитектоники и принципов создания їй ОИС ("примат метода моделирования", модифицированный метод масштабирования, принцип "двойственности представления" и др.">, включавшие в себя:
- исследование взаимосвязи архитектоники и физической модели
- Б -
СИС СЗЧ;
- научная классификация модулей "vS> ОИС и разработка классов
"идеальных конструктивов";
- исследование и определение фундаментальных физических пределов и прогнозирования достинимой интеграции Г.'Ф ОИС;
- концептуальное обоснование идеи СИС СВЧ как компактной
объемной электродинамической системы.
- '2. Теоретические основы автоматизированного'конструкторского синтеза модулей Ш ОИС и их элементно-узлоЕоЗ базы с преобладающими качествами универсальности, унифнцированноети, еысокой точности результатов, экономической целесообразности, являющиеся базой для создания эффективной САПР ОИС, включающие в себя:
- исследование волноведуших линий передачи объемного типа, в
том числе предложенных автором: диффузионно-эпитаксиальная желоб
ковая, модифицированные гофрированно-шелевые и реберно-яиэлектрп-
ческие; - '
разработка конструкций, математических моделей и алгоритмов синтеза гаммы широкополосных объемных ФУ, активных и пассивных компонентов СИС с распределенными параметрами;
разработка и формирование библиотек ФТТ.1 и Ж базовых элементов СИС для включения в САПР ОИС;
разработка основ структурного синтеза Ш ОИС на основе принципа "классификационного прототипа", рабочих алгоритмов синтеза
'.'$ ОИС, исследование принципов построения интеллектуальных САПР ОИС - электродинамического макромоделирования М5 ОИС.
3. Разработка практических конструкций модулей Г/Ф ОИС и ССОИ/СИС основных классов и инженерного обеспечения конструкторски- технологических решений модулей на изобретательском уровне, базирующаяся на разработанных научных основах архитектоники и
теоретических основах конструкторского синтеза к апробированная промышленным - в HI? к ОК? - внедрением.
Пт>актт'чрск?р нпиность. Итого:.? дпесотуганкоккой т;зботы являєм разработанная теория построения (архитектоника) и проектирования принципиально нового класса микроэлектронике устройств СЗЧ и KB'-- модулей Ш? ОИС, дополненная разработкой ряда практических коне рукций к инженерного (технологического) обеспечения кх промышлен ного производства с внедрением в опытно-конструкторские разработ на ряде ведущих в своих отраслях предприятиях.
Практическая ценность работы заключается:
в разработке обшей методологии построения МФ ОИС с классификацией последних по частотным, технологическим, функциональн массо-габаритным и т.п. показателям;
в разработке и использовании з процессе автоматизирование го конструкторского синтеза ФТІД и Ш, более адекватно, нежели су-'шествующие"."описывающие электродинамические процессы в объемных структурах;
в создании класса широкополосных элементов (компонентов)
к OJ с номенклатурой, достаточной для реализации 1. ОИС и СС0И/0Ї
в разработке достаточно полных библиотек ФШ, 1&1 и алгориї мов синтеза базовых элементов и ФУ МФ ОИС для включения в САПР ОИС;
в разработке основ САП? конструкторского синтеза 1.5 ОИС;
.-.- - в.-создании гаммы' практических конструкцій модулей и в'технологическом обеспечении процесса их производства.
Полученные в диссертационной работе результаты могут использоваться при проектировании малогабаритной и высоконадежной РЭА СБЧ и ССОИ, отвечающих современны?.! требованиям к эксплуатации в авиакосмической и специальной наземной технике и в других отрасли
народного хозяйства.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывалась на мендуяародных, всесоюзных, менреспубликанских и отраслевых конференциях, симпозиумах, школах-семинарах, научно-технических семинарах (в 65 докладах): на научно-техническом семинаре (КТО "Элементы и узлы волновоцных трактов радиорелейных линий" (Таллин,. I9S3 г.), КТС "Нелинейные устройства СВЧ на тран- . зисторах" (Таганрог, І983 г.), 2 Всесоюзной научной конференции "Электроника СВЧ" (Минск, 1983 г.), НТС "Развитие машинных методов и средств решения краевых задач" (Москва-Донецк, 1983 г.), X научной сессии, посвященной Дню Радио (Тула, 1983 г.), Всесоюзный научно-технической конференции (НТК) "Проблемы интегральной электроники СВЧ" (Ленинград, 1984 г.), Республиканской, конференции "Опыт разработки и применение радиоизмерительных приборов и систем" (Киев, 1984 г.), НТС "Волноводные системы и устройства" "(Днепропетровск," 1984 г.)"," НТС' "ОИС СВЧ" (Запорожье; 1985 г.), НТК "Проблемы разработки и внедрения РЭА СВЧ на основе ОИС" (Севастополь, 1986 г.), НТС "Автоматизированное проектирование и технология РЭА СВЧ на основе ОКС" (Севастополь, Ї987 г.), Всесоюзной НТК "Проблемы математического моделирования и реализация радиоэлектронных систем СВЧ на ОИС" (Москва, Ї987 г.), XVI Еоенной НТК КВЗИУС (Киев, 1986 г.), НТС "ОИС з научном приборостроении СВЧ-диапазона" (Севастополь, 1988 г.), II НТС "Нелинейные устройства СВЧ на транзисторах" (Таганрог, 1988 г.), НТС "Функциональные электродинамические системы и элементы" (Саратов, 1988 г.), III Всесоюзной НТК "Математическое моделирование и САПР радиоэлектронных систем СВЧ на ОИС" (Суздаль 1989 г.), '.'е;?.отраслевой НТС "Современная технология производства СВЧ схем" С'инск,1989 г.) НТС "ОИС СВЧ" (Тула, 1989 г.), IV Всесоюзной школе-сзминаре(ВШС)
- II -
"Теория и математическое моделирование ОЖ СЗЧ и КВЧ" (Алма-Ата, 1989 г.), Межотраслевой НТК "Радиотехнические системы" (Тула, 1989 г.), КТС "ОИС и приемные устройства СЗЧ-диапазона" (Севастополь, Г989 г.), 50-ом Юбилейном заседании КТС "ОИС СВЧ" при ШЇ ЗНТОРЭС им.А.С.Попова (Москва, 1990 г.), НТС "ОИС СВЧ" в рамках xvi Московской конференции, посвященной Дню Радио (Москва, 1990 г.), V ВШС "Математическое моделирование, САПР і: конструкторско-технологическое проектирование ОИС СБЧ и КВЧ диапазонов" (Тула, 1990 г.), Региональном совещании "Математическое моделирование и САІГР устройств СВЧ на микрополосковых структура)! (Таганрог, Ї99Ї г.), научной конференции "Методологические, информационные изобретательские аспекты научных исследований в области создания ОИС СВЧ и КВЧ" (Тула, 199I г.), ст Всесоюзной НТК "Математическое моделирование и САПР радиоэлектронных и вычислительных систем СВЧ на. ОИС" - с участием иностранных ученых (Волгоград,' 1991 г.")," 1' Украинском' симпозиуме "Физика и техника
миллиметровых и субмиллиметровых радиоволк"(Старый Салтрз,1991 г XI International Conference on Microwave Ferrites: ICMF 92
( Crinea - Alushta,1992 ), VI EEC "Техника, теория, математическое моделирование и САПР
систем ССОИ на ОИС СЗЧ" - с участием иностранных ученых (Ростов 1992 г.), на заседаниях НТС "ОИС СВЧ" при МЇЇЇ ВНТОРЗС им.А.С.Попова Шосква, Ї982-Ї992 гг.).
При проведении ряда перечисленных выше мероприятий автор входил в состав Оргкомитетов (Тула-89.,- .Таганрог-91, Волго'грзд-91 Ростов В.-92), являлся зам.председателя Организационного и Программного комитетов (Тула-90, Тула-91). Тематика последних двух предложена автором с акцентом на инженерное проектирование и про мысленное освоение модулей Ш ОИС; совместно с д.ф.-м.к.,проф. Е.И.Нефёдовым подготовлены сборники материалов В1ИС и НК
(см. [8,38] ). Разработки по материалам диссертационно:: работы отмечены Дипломами II л ill степени конкурссв-смотгоз БНТСРЗС им.А.С.Попова и премией комсомола в области науки и техники.
Реализация результатов и предложения сб использовании.
Результаты диссертационной работы внедрены л нашли практическое
использование на ряде предприятий оборонкой, электронной, радио
технической промышленности, академических НИИ. Основные резуль
таты внедрены в НПО "Старт", НИН "Экран",- НПО "Авзнгагд", НИИ
"Стрела", Институте автоматизации проектирования АН России,
Радиоастрономическом институте л Институте математики АН Украины,
а также использованы в НПО "Точность" и Институте технической
механики АН Украины. Суммарный экономический эффект составил
42Ї тысячу рублей (в ценах 1990-91 гг.). Результаты работа
внедрены в учебный процесс 'московского института электронной техники, Самарского филиала Московского технологического института, Тульского" политехнического института (учебные центры-филиалы в НПО "Точность" и НПО "Старт"), Курсов повышения квалификации специалистов отрасли (г.Красногорск), используется в работе Межгосударственного научно-учебного консультационного центра-МНУКП "ОИС" при ИГЛ ВНТОРЭС им.А.С.Попова. Результаты работы вошли з учебные пособия, в частности, в [9 ] .
Исследования проводились з КБ приборостроения НПО "Точность" и в ЦКБ аппаратостроения НПО "Старт" - ведущем предприятии отрасли по разработке мнкроэлектронных модулей СЗЧ - в рзм:-:ах НИР и ОКР по постановлениям СМ СССР 1982-91 гг.
Диссертация содержит большой объем новой научно-технической информации, полезной широкому кругу специалистов в области системо- *л схемотехники, конструирования, технологии и автоматизации проектирования РЭА СВЧ высокой интеграции и надежности.
Внедрение результатов диссертационной работы и дальнейшее продолжение исследований в области создания !."5 ОИС следует рекомендовать в НПО "Сапфир", НПО "Циклон", НПО "Импульс", НПО "Квазар", К НПО "Энергия", ВНИИ "Альтаир", ИРЭ АН России, Х11РЭ АН Украины, HI "Сатурн", НИИ "Кэакт", НИИ "Волна", НИИ "Орион", ИКБ "Алмаз", ЛНИРГ, МНИЛИ, Ї.ПІЗМ, КАИ, ТИАСУР, Уральском и Нике-городском политехнических институтах и в ряде других предприятий и институтов.
Публикации. Положения и результаты диссертационной работы отракены з 140 статьях преимущественно в центральных и отраслевые периодических изданиях и защищены 23 авторскими свидетельствами СССР. На основе полученных результатов опубликованы четыре монографии и два учебных пособия.
Структура и объем диссертации. Диссертация оформлена в двух томах: основной .и прилог-ения. Основной том состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованной литературы (281 наименование), содержит 322 стр. основного текста, 126 рисунков и 9 таблиц на 118- стр., список литературы на 33 стр. Дополнительный ton: состоит из 14 приложений, включая акты внедрения, содержит 241 стр. текста, 54 рисунка к 9 таблиц на 4-0 стр.
