Введение к работе
Актуальность проблемы. В последние годы наблюдается устойчивый рост номенклатуры выпуска цифровых электронных средств (ЭС) самого широкого назначения. Основу этих ЭС составляют специализированные большие интегральные схемы (БИС), большинство из которых выполнено на основе базовых матричных кристаллов (БМК). Внедрение БМК в отечественную промышленность позволяет более чем на 2 порядка уменьшить массо-габаритные характеристики и трудоемкость проектирования специализированной аппаратуры, на 1-2 порядка повысить ее надежность.
Выпускаемые в настоящее время БМК содержат несколько сотен тысяч вентилей на кристалл. Наблюдается устойчивая тенденция роста степени интеграции кристалла. На кристаллах с такой степенью интеграции возможен синтез полностью законченного в функциональном отношении интегрального электронного средства. Как правило, большинство из проектируемых ЭС рассчитаны на цифровую обработку информации. Однако при увеличении степени интеграции специализированных цифровых электронных средств (СЦЭС) на базе матричных больших интегральных схем (МБИС) традиционные методы их разработки приводят к недопустимому росту времени проектирования, что сводит на нет все преимущества частичного проектирования на заказ. Применение систем сквозного автоматизированного проектирования также дает невысокие по качеству проектные решения из-за отсутствия единства критериев оптимизации на различных этапах проектирования и очень большой размерности задачи. Особенно большие проблемы возникают при переходе на кристаллы сверхвысокой степени интеграции. В результате изготовители БМК идут далеко впереди разработчиков аппаратуры на их основе.
Выход из этого положения лежит на путях создания методов снижения размерности задачи за счет распараллеливания процесса автоматического проектирования н создания моделей, обеспечивающих сквозной синтез СЦЭС на базе МБИС. По определению сквозной автоматический синтез топологии БМК на основе его функционального описания называется кремниевой компиляцией. В настоящее время кремниевые компиляторы созданы для программируемых логических схем.
Несмотря на попытки создания кремниевых компиляторов как в нашей стране, так и за рубежом все они остаются узкоспециализированными, имеют весьма ограниченную область применения и требуют для своей работы очень больших вычислительных ресурсов (как правило, современных рабочих станций). До настоящего времени отсутствует проработка общей методологии моделирования специализированных ЭС на базе МБИС с целью распараллеливания процесса их синтеза и использования крем-
-2-ниевых компиляторов. Открытыми остаются проблемы оптимизации конструкций специализированных ЭС в процессе их синтеза на кристалле БМК.
Вместе с тем, трудами крупнейших отечественных и зарубежных специалистов в области автоматизации проектирования электронных средств к настоящему времени создана мощная теоретическая база а следующих трех направленнях, являющихся основой для моделирования и автоматического синтеза специализированных ЭС на базе МБИС, - это разработки в областях:
-логического проектирования дискретных устройств: Баранов СИ., Глушков В.М., Майоров С.А., Закревскин А.Д., Мищенко А.Т., Новиков Г.И., Поспелов Д.А., Скляров В.А., Хартманис Д. и др.;
- автоматического схемотехнического проектирования: Баталов Б.В., Бененсон
З.М., Вермпшев Ю.Х., Глориозов ЕЛ., Дмитриевич Г.Д., Ильин В.Н., Казенное Г.Г.,
Ланцов В.Н., Норенков И.П., Петренко А.И., Сигорский В.П., Фролкин В.Т., Брейтон Б.,
Калахан Д., и др.;
- теории проектирования топологии БИС и СБИС: Абрайтис Л.Б., Базилевич Р.П.,
Бершадскин A.M., Бодрягин В.И., Деньдобрепько Б.Н., Курейчик В.М., Лошаков В.Н.,
Мелихов А.Н., Морозов К.К., Назаров А.В., Одинокое В.Г., Петухов Г.А., Рябов Л.П.,
Сыпчук П.П., Тетельбаум А.Я., Брейер М. и др..
Необходимо отметить еще один аспект проблемы: рост степени интеграции БМК внес качественные изменения в моделирование специализированных ЭС и в процесс пх автоматизированного проектирования, поскольку затронул их критериальные основы. В условиях, когда площадь элементов стала соизмерима с площадью соединяющих их проводников, стал необходим поиск новых моделей и подходов к процессу автоматического синтеза ЭС на одном кристалле, подразумевающих учет множества разнокрнтериальных методов функционально-конструкторского проектирования.
Таким образом, в числе наиболее актуальных выделяется проблема теоретического обобщения известных в настоящее время методов автоматизированного проектирования специализированных ЭС с целью устранения причин, тормозящих их синтез на базе БМК в условиях роста степени интеграции кристаллов.
Цель работы и задачи исследований. Основная цель диссертационной работы заключается в разработке, теоретическом обосновании и апробации моделирования и синтеза специализированных цифровых ЭС на базе матричных БИС с целью их качественного автоматического проектирования в условиях увеличения степени интеграции кристаллов.
Основными задачами работы являются:
-
Теоретическое обобщение н анализ методов и алгоритмов синтеза специализированных цифровых ЭС в условиях роста сложности и степени интеграции БМК.
-
Построение и исследование математической модели и принципов параллельного автоматического синтеза ЭС.
-
Развитие теории и разработка принципов бессхемиого проектирования ЭС на базе МБИС.
-
Разработки методов оптимизации конструкции ЭС на базе МБИС в процессе его синтеза.
-
Разработка, экспериментальные исследования и внедрение математического и программного обеспечения системы параллельного синтеза ЭС в промышленность и в учебный процесс вузов.
Методы исследования. В процессе выполнения работы применялись аналитические, численные и экспериментальные методы исследования. Аналитические методы базировались на положениях теории матричных БИС, структурной теории .машин, теории автоматов, теории графов, теории вероятности, теории множеств н теории гнперсетей. Численные методы применялись при решении задач проектирования специализированных ЭС на базе матричных БИС на ЭВМ, в частности использовались методы целочисленного и динамического программирования.
Достоверность полученных результатов подтверждена проведенными исследованиями н НИР по синтезу специализированных ЭС.
Научная новизна работы. Новые научные результаты, полученные в диссертационной работе, состоят в следующем:
-
Впервые разработаны методы параллельного моделирования и параллельного синтеза специализированных цифровых ЭС на базе МБИС.
-
Предложена, исследована п реализована гиперсетевая математическая модель специализированных цифровых ЭС.~
-
Разработан математический аппарат бессхемного синтеза специализированных ЭС на базе МБИС с жесткой логикой и правило кодирования управляющего автомата (УА), оптимизирующего аппаратные затраты.
-
Разработаны принципы обеспечения устойчивости функционирования ЭС в процессе его синтеза.
-
Разработана вероятностная математическая модель топологического синтеза МБИС.
6. Теоретически доказана возможность моделей параллельного синтеза ЭС,
разработаны методы построения этих моделей.
Практнческая ценность. Представленные в диссертации исследования являются результатом научной работы, проводимой на кафедре "Конструирования и технологии радиоэлектронных средств" Владимирского государственного университета и кафедрой 404 МАИ в рамках госбюджетных и хоздоговорных НИР под руководством и участии автора. Основные практические результаты работы позволяют:
использовать программное обеспечение для разработки в автоматическом режиме сложных специализированных цифровых ЭС на ЭВМ средней производительности;
повысить устойчивость функционирования ЭС за счет моделирования и учета влияния межсоединений в процессе их синтеза;
обеспечить синтез фотошаблонов слоев .металлизации МБИС без этапов ручной доразводки соединений;
- перейти на кристаллы меньшей площади за счет оптимального кодирования
управляющего автомата (УА) ЭС.
Внедрение результатов работы. Разработанное программное и методическое обеспечение подсистем моделирования и синтеза специализированных электронных средств внедрены и переданы для внедрения в следующие организации: ЦНИИ "Гранит", г. Санкт-Петербург, АО "Электроприбор" г.Владимир, АОЗТ "КБ Радиосвязи", г.Владимир, Государственный научно исследовательский лазерный центр, г. Радужный, Ковровский электромеханический завод, г. Ковров и ряд других предприятий. Кроме того, разработанное методическое и программное обеспечение внедрено в учебный процесс вузов: Московский авиационный институт г. Москва, Владимирский государственный технический университет г. Владимир.
На защиту выносятся следующие результаты:
-
Концепция параллельного синтеза специализированных цифровых ЭС на базе матричных больших интегральных схем.
-
Математическая модель автоматического синтеза'специализированных ЭС с жёсткой логикой на ранних этапах синтеза.
3. Теоретическое обоснование и методы построения функционально-
конструкторской модели специализированных ЭС на базе БМК.
-
Математическая модель автоматического синтеза топологии монтажных плат ЭС на основе полей вероятности трассировки.
-
Технологический процесс синтеза при параллельном проектировании ЭС.
6. Принципы обеспечения устойчивого функционирования проектируемого элек
тронного средства в процессе его синтеза.
7. Комплекс прикладных задач, реализующий разработанные модели и алгоритмы.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались н обсуждались на
следующих научно-технических конференциях (НТК): Всесоюзной НТК "Методы и
-э-
срелства борьбы с помехами в цифровой технике" г.Каунас 1986 г.; Всесоюзной школе-семинаре "Автоматизация научных исследований в области качества и надежности РЭА и ЭВА г.Москва 1987 г.; Всесоюзной межотраслевой НТК "САПР приборов и агрегатов", г.Суздаль 1991 г.; Всероссийской НТК "Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления", Таганрог 1992 г.; семинаре Центрального Российского Дома знаний "Зарубежные САПР-опыт адаптации и применения", г.Москва 1992 г.; Всероссийской научно-технической конференции с международным участием "Разработка и применение САПР ВЧ и СВЧ электронной аппаратуры", Г.Владимир, 1994; международной летней школе "Стандарты в автоматизированном проектировании электронных систем", г. Прага, Чехия 1996 г.; НТК ученых Владимирского государственного технического университета 1988-96 гг.
Публикации. Основные результаты работы опубликованы в одной монографии и 32 научных работах.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения, изложенных на 279 страницах, включая 74 рисунка и 34 таблицы, а также списка литературы из 220 наименований.
