Введение к работе
Актуальность работы. В последние десятилетия 20 века за рубежом интенсивно проводились исследования по всему комплексу научно-технических и конструкторско-технологических проблем разработки и производства БИС, СБИС и интегрированных электронных систем на кристалле (СнК). На их основе создаются современные вычислительные и радиотехнические системы (ВиРТС) двойного применения (военного назначения и управления особо опасными объектами – атомными реакторами, химическими предприятиями, научно-исследовательскими установками, космическими объектами и др.), а также различная гражданская аппаратура.
Реализация данных проблем потребовала огромных усилий самых высококвалифицированных специалистов в различных областях знаний и привлечения больших финансовых средств государственных и частных структур.
Данные результаты позволили многим ведущим зарубежным компаниям перейти на разработку и промышленный выпуск СБИС и СнК с субмикронными технологическими нормами и предельно достижимой степенью интеграции (на текущий момент времени). Рост спроса и продаж унифицированных и заказных СнК постоянно растет. Именно данные изделия обеспечивают уникальные параметры ВиРТС, построенных на их основе - возможность надежной, длительной эксплуатации в очень жестких условиях (больших механических нагрузок, разброса температур, доз радиационного и электромагнитного излучения, влияния агрессивной внешней среды и т.д.) с большей (до нескольких раз) производительностью и меньшими массой и габаритами.
В тоже время, лучшими отечественными предприятиями обеспечена возможность проектирования и производства БИС и СБИС с проектными нормами 3-0,5 мкм и проводятся научные исследования по разработке научной и промышленной платформы перехода на субмикронную технологию для создания СБИС и СнК.
Поэтому Правительством РФ принята государственная программа стратегического развития электронной промышленности (ЭП), которая предполагает создание сети дизайн центров (ДЦ) и кремниевых мастерских (КМ) и их оснащение самым современным технологическим оборудованием и вычислительной техникой (в основном) за счет закупки за рубежом. Однако средства автоматизации управления предприятиями и проектирования микросхем и ВиРТС нового поколения двойного применения являются самым оберегаемым секретом и не продаются. В рамках данной работы поставлена задача создания и исследования унифицированной системы управления (СУ) разработкой и производством микроэлектронной компонентной базы (МЭКБ) нового поколения двойного применения и автоматизации проектирования (АП) радиационно-стойких КМОП микросхем с использованием лучших зарубежных и отечественных достижений в данном направлении.
Диссертация выполнена по программам важнейших работ Министерств обороны (МО), образования и науки РФ. По планам НИР и ОКР Интеграция-М, Очаково-ПЭ, Разводчик-1, Натюрморт-А-ИТТ, База-ИТТП, Бриз-коррозия СЭК-ИТТП и др. А также в соответствии с межвузовской научно-технической программ-мой И.Т.601 «Перспективные информационные технологии в высшей школе» и на-учному направлению Воронежской государственной лесотехнической академии (ВГЛТА) - «Разработка средств автоматизации управления и проектирования (в промышленности)».
Объект исследования. Унифицированная система управления разработкой и производством микросхем нового поколения двойного применения и автоматизация их проектирования.
Предмет исследования. Методология построения, модели и алгоритмы управления, техническое, программное и информационное обеспечения для создания системы управления разработкой и производством микросхем нового поколения двойного применения и средства проектирования радиационно-стойких микросхем.
Цель и задачи исследования. Целью работы является создание и исследование унифицированной СУ разработкой и производством современной МЭКБ двойного применения и АП радиационно-стойких КМОП микросхем.
Для ее реализации необходимо решение следующих задач:
- провести анализ тенденций развития и определить требования к аппаратуре и изделиям микроэлектроники нового поколения двойного применения;
- обосновать задачи развития законодательно-правовой, организационной и методической базы для создания средств автоматизации управления разработкой и производством современных микросхем двойного применения и их проектирования;
- определить целевые задачи и выбрать единую техническую, лингвистическую, информационную и математическую платформы управления ДЦ и КМ разработки и производства МЭКБ и межотраслевой интеграции;
- разработать математические модели управления предприятиями ЭП и межотраслевой интеграцией;
- обосновать методику формирования технического обеспечения унифицированной системы автоматизации проектирования ДЦ разработки КМОП микросхем и разработать математические модели обеспечения их радиационной стойкости;
- разработать методику формирования и реализовать лингвистическое и информационное обеспечение СУ и средств АП КМОП СБИС и СнК;
- создать алгоритмическую основу инструментальных средств СУ и разработать унифицированное прикладное обеспечение ДЦ АП радиационно-стойких КМОП МЭКБ;
- провести программную реализацию математического обеспечения СУ и АП;
- внедрить разработанную СУ и средства АП радиационно-стойких КМОП микросхем, провести оценку их эффективности и разработать методическое обеспечение.
Методы исследования основываются на теории систем управления и АП, анализа и синтеза вычислительных машин и систем, оптимизации; аппарате вычислительной математики, прикладной статистики; теории построения программ; методах модульного, структурного и объектно-ориентированного программирования; имитационном, структурном, и параметрическом моделировании; экспертных оценках, вычислительных экспериментах.
Научная новизна. В диссертации получены следующие основные результаты, характеризующиеся научной новизной:
- принципы развития законодательно-правовой, организационной и методической базы для создания средств автоматизации управления разработкой и производством современных микросхем двойного применения и их проектирования, отличающихся применением метода рационального сочетания материальной и административной заинтересованности и ответственности участников принятия решений в условиях прозрачности процесса управления;
- методология построения единой технической, лингвистической, информационной и математической платформы управления ДЦ и КМ разработки и производства СБИС и СнК и межотраслевой интеграции, и формирования средств АП КМОП МЭК - обеспечивающая их унификацию; простоту развития, внутреннюю и внешнюю интеграцию; отличающуюся единым методом построения средств и непрерывностью процесса проектирования сверхбольших микросхем и аппаратуры на ее основе, соответствием действующим стандартам, небольшими расходами на создание и эксплуатацию, и простотой освоения;
- математические модели СУ предприятиями ЭП и межотраслевой интеграцией, закладывающие основу единого информационного пространства управления и отличающиеся функциональной полнотой и универсальностью, и обеспечивающие ее описание как многоуровневой нормативно-ценностной системы на всем пространстве информационно-предметной среды с тотальным контролем качества и возможностью ее настройки в рамках проекта на решение различных задач, разной степени сложности и функционирующих на различных уровнях иерархии организации и условиях, а также необходимых и достаточных этапов ситуационного моделирования и функциональных компонентов их информационной поддержки и синтеза обобщённых и частных аналитических и диагностических задач ситуационного моделирования, образующих процедуры суждений лица принимающего решения (ЛПР);
- математические модели и алгоритмы управления для выполнения специальных проектов: оценки достаточности и реализуемости проектов, рисков их выполнения, формирования программы работ и аудита выполнения специальных проектов, отличающиеся разработанной на основе многолетнего опыта рейтинговой системой оценки выполнения проектов, сокращением времени реализации проектов за счет повторного использования проектных процедур и готовых библиотечных элементов, вероятностными оценками эффективности выполнения программных мероприятий на основе прогнозирования развития ЭКБ двойного назначения; выбора наиболее рационального способа реализации программных мероприятий с обеспечением необходимого качества в условиях финансовых ограничений, высокой адекватностью отображения процессов управления и принятия решений;
- алгоритмическая основа СУ предприятиями ЭП и межотраслевой интеграцией, и АП радиационно-стойких КМОП СБИС и СнК, обеспечивающая единство средств принятия решений и отличающаяся большей эффективностью, функциональной полнотой и универсальностью;
- методика и особенности развития научной и промышленной инфраструктуры автоматизации управления разработкой и производством СБИС и СнК двойного применения и их проектирования, методическое обеспечение и способ оценки эффективности внедрения разработанных средств.
Практическая значимость и результаты внедрения. Основным практическим результатом работы является разработка информационной системы и инструментальных средств управления предприятиями ЭП и межотраслевой интеграцией, унифицированного прикладного программного обеспечения АП радиационно-стойких КМОП СБИС и СнК и их внедрение в промышленности, которое подтвердило высокую эффективность предложенных решений.
Существенно развита научная и промышленная база автоматизации управления разработки и производства КМОП СБИС и СнК двойного применения и их проектирования, которая является важным вкладом в решение проблемы создания современных отечественных наукоёмких технологий.
Научные и практические результаты работы положены в основу создания и внедрения программно-технических обучающих комплексов в высших учебных заведениях (МГИЭТ, Воронежском государственном техническом университете (ВГТУ) и др.) для проведения лекционных курсов, лабораторных работ, курсового и дипломного проектирования, подготовки аспирантов, докторантов и соискателей по специальным дисциплинам.
Результаты диссертационной работы внедрены на базовых предприятиях (ФГУП «Научно-производственное объединение автоматика» (г. Екатеринбург), ОАО «Ангстрем» (г. Зеленоград), ФГУП «Научно исследовательский институт электронной техники» (г. Воронеж) и в учебный процесс с большой экономической эффективностью, отмеченной в актах внедрения (приложение диссертации).
Выносятся на защиту:
- принципы развития законодательно-правовой, организационной и методической базы для создания средств автоматизации управления разработкой и производством современных микросхем двойного применения и их проектирования;
- методология построения единой технической, лингвистической, информационной и математической платформы управления ДЦ и КМ разработки и производства СБИС и СнК и межотраслевой интеграции, и формирования средств АП КМОП МЭК;
- математические модели СУ предприятиями ЭП и межотраслевой интеграцией;
- математические модели и алгоритмы управления для выполнения специальных проектов;
- алгоритмическая основа СУ предприятиями ЭП и межотраслевой интеграцией, и АП радиационно-стойких КМОП СБИС и СнК;
- результаты создания и внедрения унифицированного программно-технического комплекса управления и проектирования.
Соответствие диссертации паспорту специальности. В соответствии с формулой специальности 05.13.10 – «управление в социальных и экономических системах», специальность, занимающаяся проблемами разработки и применения методов теории управления к задачам управления в социальной и экономической сферах, включая области образования, права, обороны, здравоохранения и т.д. в диссертационном исследовании разработаны и структурированы методы управления разработкой и производством микросхем нового поколения двойного применения на предприятиях микроэлектроники (разделы 1-4, 6 – более 83% диссертации), в которой концентрируются и реализуются вопросы законодательно-правовой, организационной и методической основы управления, математические, технические, программные и информационные средства управления с целью повышения эффективности их функционирования, что реализуется во взаимосвязи с человеческими отношениями.
В соответствии с целью, задачами и полученными научными результатами проведенное исследование соответствует следующим пунктам области исследования: 1. Разработка теоретических основ и методов теории управления и принятия решений в социальных и экономических системах; 2. Разработка методов формализации и постановка задач управления в социальных и экономических системах; 3. Разработка моделей описания и оценок эффективности решения задач управления и принятия решений в социальных и экономических системах; 4. Разработка методов и алгоритмов решения задач управления и принятия решений в социальных и экономических системах; 5. Разработка специального математического и программного обеспечения систем управления и принятия решений в социальных и экономических системах; 9. Разработка проблемно-ориентированных систем управления, принятия решений и оптимизации экономических и социальных систем.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на: коллегиях ряда Министерств РФ, семинарах и совещаниях Научного Совета «Федеральные проблемы создания элементной базы информационно-вычислительных и управляющих систем». Результаты работы докладывались на: международных научных конференциях «Математические методы в технике и технологии – ММТТ-18, 20» (Казань, 2005; Ярославль, 2008); российских научно-технических конференциях «Информационные технологии (ИТ-2005, 2007-2010)» (Воронеж, 2005, 2007-2010); IV международной научно-практической конференции «Проблемы регионального управления, экономики, права и инновационных процессов в образовании» (Таганрог, 2005); всероссийских конференциях «Интеллектуализации управления в социальных и экономических системах» (Воронеж, 2005-2009); международных конференциях «Кибернетика и технологии XXI века» (Воронеж, 2005; 2007-2009). А также на всероссийских научно-технических конференциях «Повышение эффективности средств обработки информации на базе математического моделирования» (Тамбов, 2005); международной научно-технической конференции «Системные проблемы качества, математического моделирования и информационных технологий» (Сочи, 2005); на IV,V – международных практических конференциях «Влияние внешних воздействующих факторов на элементную базу аппаратуры авиационной и космической техники» (Королев, 2005, 2006); российских конференциях «Радиационная стойкость электронных систем. Стойкость - 2005» (Москва, 2005) и «Теория конфликтов и ее приложение» (Воронеж, 2006-2009).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 74 работы, в том числе в изданиях определенных ВАК 31 статья и семь монографий, общим объемом 85,5 п. л. (лично автором выполнено 53,4 п. л.).
В работах, опубликованных в соавторстве, личное участие автора заключается в определении цели и задач работы, в разработке моделей и алгоритмов, основных элементов инструментальных средств управления и проектирования, их внедрения в промышленности.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести разделов, основных выводов и результатов, списка использованных источников из 194 наименований, 1-го приложения. Работа изложена на 337 страницах, в том числе 216 страниц машинописного текста.
