Введение к работе
^1Х?Ш>ндсть_темы. Матричными вычислительными устройствами (МВУ) называют комбинационные схемы, основанные на структурной пространственной реализации методов выполнения различных операций. МВУ содержит матрицу базовых ячеек (БЯ), каждая из которых, как правило, состоит из полного одноразрядного сумматора или вычитателя и входной логической схемы. Типичным представителем MB/ является матричный умножитель. Известны МВУ для выполнения операций деления, вычисления различных стандартных функций, выполнения операций над многочленами и элементами конечных полей. Библиография по МВУ весьма обширна. Многие советские ученые внесли вклад в развитие МВУ. Это В.Б.Смолов, А.М.Оранский, В.Д.Байков, А.М.Шауман, Л.А.Шумилов. Из зарубежных исследователей необходимо отметить MdJitbiaT.C., GwtU. Н.Н., 8*ktr P.W.
Особый интерес к МВУ, породивший в свое время большое голи-чество работ по их разработке, был вызван рядом свойств, потенциально делающих их удобными для реализации в виде БИС. Это -регулярность структуры и отсутствие внутрисхемных тактирующих импульсов. Тем не менее практическая реализация МВУ в течение долгого времени была затруднена по организационно-экономическим причинам. Достигнутый уровень интеграции микросхем позволял реализовывать часть конкретного МВУ (что требовало для всего устройства многокристальной реализации), либо - лишь в некоторых случаях и для фиксированной разрядности - в виде законченной БИС. Однако, потребность в таких БИС, отнесенная к трудоемкости разработки законченного изделия, делала реализацию МВУ экономически невыгодной.
Современная ситуация в области средств и методов разработки БИС значительно отличается от той, какая имела место в начальный период исследований МВУ. Эти отличия заключаются в следующем:
а) Степень.интеграции возросла до уровня, когла МВУ может быть реализовано в виде функционального фрагмента БИС. Это обстоятельство снимает проблемы реализации в виде законченного изделия, перенося вопрос о целесообразности применения МВУ в плоскость структурного этапа проектирования BIC, когда необходимо рассмотреть возможно большее число конкурирующих структурных ре-
тений и отобрать наилучшее по системным параметрам.
б) Открывается возможность реализации для МВУ специализи
рованных кремниевых компиляторов, чему в значительной мере
способствует хорошая параметризуемость фрагментов МВУ. Это об
стоятельство позволит существенно снизить издержки при разра
ботке топологии МВУ.
в) Матричные умножители из уникального изделия преврати
лись в рядовой мегафрзгмент, встраиваемый в конструкцию БИС по
мере необходимости. Опыт проектирования и реализации фрагмен
тов - матричных умножителей - легко переносится на фрагменты -
матричные вычислительные устройства, ибо по составу базовых
ячеек и по структуре МВУ заслуживают термина - "умножителепо-
добные".
Доказательства справедливости приведенных соображений можно найти, например, в области БИС новых поколений сигнальних -процессоров.-в-стрУкт\фУ-которых_встраиваются специализированные функциональные фрагменты для быстрого выполнения длинных арифметических операций.
На фоне возросшего практического интереса к разработкам в области МВУ однако обнаружилось, что сушествующие работы в этой области рассматривают вопросы структурной и функционально-логической организации, но совершенно не затрагивают вопросы технической реализации.в виде СБИС. Опенки аппаратных и временных ' затрат приводятся для конкретных систем элементов малой степени интеграции и носят чисто теоретический характер (например, аппаратные затраты измеряются в сотнях корпусов интегральных схем). Особенности реализации в виде СШС никакие отражаются в структурах и функциональных схемах предлагаемых МВУ.
Й5Ь^исе^таііконной_Еаботьі в общем виде может быть сформулирована следующим образом: базируясь на богатом и обширном матеріале по разработке МВУ на верхних уровнях проектирования, привести исследования, обеспечивающие разработку МЗУ на уровнях, связанных с их технической реализацией в виде функциональных фрагментов БИС - на схемотехническом и топологическом уровнях. Среди вопросов, подлежащих разработке, основными были следующие:
I) поиск новых схемно-топологических вариантов МВУ, обладающих улучшенными характеристиками по быртродействию и затра-
там площади кристалла;
-
анализ и оптимизация электрических, временных; и типологических характеристик МВУ - фрагментов БИС;
-
получение опенок реализаций МВУ по затратам площади кристалла и быстродействию в параметриэированной форме, например, в виде функции от разрядности разрабатываемого устройства;
-
разработка.автоматизированных средств генерации топологии МВУ.
Настоящей диссертационная работа выполнялась автором в составе группы, проводившей исследования по указанной тематике. В концептуальном плане ее можно рассматривать как развитие предшествующей диссертационной работы Одишо С.Я. \3\ , выполненной в этой же группе и защищенной в 1992 г. Работа Одишо С.Я, охватывала задачи, связанные с проектированием МВУ, представляющих собой одиночную матрицу базовых ячеек.
2UblSSJ_UuS.55215t5!5 настоящей работы являются МВУ, структурно представляющие собой две взаимодействующие матрицы базовых ячеек. Одна из них - управляющая матрица по значениям входного аргумента вырабатывает вектор управляющих сигналов, котот "рые воздействуют на динамические процессы, протекающие во второй - гамяеляющей матрице; с ее выходов.снимаются требуемые результаты вычислений. Наличие механизма взаимодействия вносит специфические моменты в процесс схемотехнического и топологического проектирования двухматричных МВУ.
Структурные признаки двухматричных МВУ присущи довольно обширному классу устройств, позволяющих вычислять прямые и обратные тригонометрические, гиперболически^ и степенные функции [і., 2] . Всех нх объединяет общее свойство: они являются комбинационными схемами, основанными на структурной пространственной реализации алгоритмов класса "цифра за цифрой". Хотя результаты диссертационной работы имеют значимость для всего класса указанных схем МВУ, с целью конкретизации материалов исследования был выбран один из типов МВУ, а именно МВУ для вычисления Smx/cosat . Среди других причин, по которым было отдано предпочтение указанному типу, были соображения практической значимости: именно st(jT тип МВУ предполагался для реализации в виде функционального фрагмента п структуре разрабатываемой Б1С синтезатора частот.
- 4 -Нау_чная_новизна состоит в развитии теорий и практики проектирования матричных вычислительных устройств. При выполнении работы получены следующие основные результаты:
-
предложены элементы методики проектирования ТОПОЛОГИИ двухматричных МВУ в виде функциональных фрагментов КМОП БИС;
-
получены оценки аппаратных затрат и быстродействия в параметризированной форме для КМОП МВУ для вычисления
П^ктическим_результатом_рабдты является разработка специализированного кремниевого компилятора топологии МВУ для вычисления J'wx / cosx , параметризированной по разрядностям аргумента и вычисляемой функции.
Материалы, приведенные в диссертационной работе, докладывались на научно-технической конференции профессорско-преіюда-ва^еЖс^ЬТопгостава^ЭТ^им^.^ДльяноваДДенинаХ-а-^ЭЭО г.
По материалам диссертации опубликованы две печатные работы,
Стр_у_кту_ра_и_объем_р_аботы. Диссертационная работа содержит 149 страниц машинописного текста, 48 рисунков, 9 таблиц; состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и приложения.
