Введение к работе
Актуальность проблеми. Критический анализ современного состояния развития теории и срадств моделирования в комплексных САПР иэдедгий электронной и вычислительной техники (КСАПР иэвт) дает основание отметить два крупных недостатка: 1) отсутствие удовлетворительной системной концепции интеграции моделей и интегрированного моделирования; 2) отсутствие единого системного, математического її алгоритмического подхода для развитнп программно-технических средств комплексов интегрированного моделирования (КИМ).
Эти обстоятельства существенно сдерживают развитие теории моделирования как научного направления в области исследования и создашія систем автоматизации проектирования, а также как системотехнической основы для разработки высокоэффективных программных и, особенно, аппаратных средств (ускорителей) для решения времяемких задач КСАПР ИЭВТ.
Данная работа имеет целью развитие системотехнического подхода и научно-теоретического обоснования технических решений, обеспечивающих создание для КСАПР ИЭВТ оисокоэффективных программно-аппаратных средств моделирования, особенно, высокопроизводительных специализированных процессоров и устройств.
Развитие системотехнических основ моделирования и проектирования в КСАПР ИЭВТ приобретает принципиальное значение в связи с новейаей тенденцией в создании САПР - проектированием инфраструктуры САПР и с дальнейией разработкой проблемы применения в САПР систем технической имитации интеллекта. Эти направления требуют изыскания новых подходов к структурированию и стратификации проблем и задач, процессов и моделей САПР с целью создания более мощных средств, адекватных сложности современных и перспективных ИЭВТ, обеспечивающих приемлемые сроки и уровень бездефектности проектирования .
На основе эффективных системных концепций и конструктивных математических моделей, представляющих и интегрирующих информационные образы объектов проектирования и локальных проектных преобразований, могут быть созданы мощные в функционально-вычислительном плане сродства аппаратной поддержки процессов моделирования и проектирования в САПР, достигающие наибольшего технико-экономического эффекта через рациональную интеграцию специализированных устройств, сопроцессоров и систем с соответствующим программным обеспечением в составе КИМ.
Состояние вопроса. Проектирование современных ИЭВТ, особенно для высокоответственных систем управления, в том числе, подвижными объектами, требует анализа и отработки системной и функционально-структурной организации, показателей эффективности, функциональной устойчивости, надежности и живучести с учетом необходимости решения задач назначения в условиях воздействия неблагоприятных внешних Факторов. Основным методом отработки является макетирование. Находят также применение программные средства моделирования. Окончательное заключение дается по результатам отработочных или натурных испытаний опытных и серийных образцов. Эти методы и средства не свободны от крупных недостатков. Макетирование является малоавтома-тизированным, трудоемким и относительно ниэкоинформативным процессом из-за ограниченности статистической выборки, к тому же дорогостоящим. Программное моделирование не позволяет решать ряд важных задач из-за чрезвычайной иремяемкости процессов моделирования. Отработочные испытания являются необходимым этапом, однако значительное количество проектных дефектов, выявляемых при испытаниях, приіюдит к удлинению сроков и удорожанию разработок, и как метод выявления дефектоп в принципе неприемлемы при реализации ИЭВТ на
СБИС. Сокращение срока» и затрат на создание современных иэвт и обеспечение высокого качества разработок Возиоиго на пути совершенствования средств математического моделирования проектируемых объектов в САПР. Главная проблема иодеявроааигш заключается в необходимости обеспечения функциональной полноты исследования модели проектируемого устройства в достмзевиа некоторого гарантированного уровня проектной бездефектности при ограничении времени на моделирование и проектирование в целом. Ера сзоавости устройств от нескольких десятков тысяч пентилей и высе требуется кардинальная смена инструментария моделирования ш естественное -усовершенствование методологии как моделирования, так п проехтнронашш. -
Для комплексного реиения проблем Ьэздефаетаого проектирования ведущими компаниями в мире применяются тоаяэ катода: и средства, как автоматизация логического синтеза; ввсопоуроЕЯЭвое поведенческое и иерархическое моделирование; автог-иплязарозаигай! синтез тестов; моделирование на объемах тестов и ре&дьшиг ирогргмннвг фрагментах, эквивалентных работе проектируемых устройств от 1 до 10 п более секунд реального времени; применение сЕ&дегаанзяршзввятс код&дирув-щих процессоров и систем, эквивалентных во вромзаодателькоств гипотетическим универсальным ЭВМ С 10^-1012 и g0j-ee K0SJEHJJ в секунду. На ведучую роль выходят концепция Ектегрйцдаї средств проектирования и моделирования» обеспзчявегх^аг сохяхеясмое проектирование устройств в единой инструиенталыюЯ инфраструктура, обеспечивающей исследование проекта от поведенческих иойелей до моделей транзисторного уровня.
В отечественных 'САПР применяются значительно менее козина средства моделирования, часто уникально привязанное к конкретний САПР, непереносимые и несовкестнкиа. Отсутствуют коммерчески распространяемые системы "под клззч". Нет серийно випускаемих ускорителей моделирования. В то as врегкг имеется достаточный научный и. технический потенциал для коренного изменения ситуации. Примером могут служить глубокие ааучаие исследования и прахтнчееггко результаты, достигнутые в ИНдЗЕТ, ИГИ И ВТ, НИИ "КВАНТ", НИИАА, ИНЭУМ, НИИ "АРГОН", ІВІИТГ, ЦКБ -АЯИДЭ", СКТБ ПО "ШТЕГРАЛ", НИИКП, ИИИМЭ,
внииси, лэти, игт, ик им.в.И.Глувхова, пятно и в других отраслевых, академических и учебных организациях.
Фундаментальний вклад в теорл» моделирования и проектирования внесли научные с.чола академика АЯ СССР Глупхова В.Ы., чл,-корр. АН СССР Бусденхо В.П. и Вавилова А.Л. Особое влияние на формирование идей настоящей работы'оказали трули отечественных ученых Дружинина В.В., Конторова Д.С., Капитоновой И.Б., Летичовского А.А., Смолова Б.В., БалвЕова Е.П., Пузанкова Д.В., Калинина В.Н., Резникова Б.А., Орловского Г.В., Полляха ,Ю,Г., Поспелова Д.А., Четверикова В.Н., Чечкина А.В., Петрова А.Ё. , ' трейдера В.А., Имида А.В. Имеются многочисленные публикации зарубежных авторов по прикладным вопросам моделирования ИЗВТ и построению ускорителей моделирования, однако даже в совокупности они не дают достаточной информации для создания отечественных аналогов.
Более того, в обширной научно-технической литературе недостаточно внимания уделяется фундаментальным системотехническим основам развития САПР, проблемам конструктивной реализации системотехнических принципов моделирования объекта проектирования как сложной развивающейся системы, вопросам создания высокоэффективных средств моделирования на основе высокопроизводительных специализированных моделирующих вычислителей и преобразователей. В то же время в проектировании сложных ИЭВТ остро проявляется потребность в моделировании быстро расширяющегося круга задач - от уровня задач назначения ИЭВТ до уровня задач отработки технологии СБИС. Фактически состояние развития САПР можно оценить именно по уровню применяемых средств моделирования. При этом достаточно оценки двух
характеристик: полноты охвата комплексом моделей всех этапов и задач проектирования и мощности применяемых программно-аппаратных средств моделирования.
Именно организация интегрированного моделирования сложных НЭВТ в САПР и обеспечение решения задач моделирования за приемлемое время .являются наиболее сложными и актуальными проблемами развития отечественных САПР.
Цель работы. Указанные проблемы составили предмет исследований, целью которых является развитие и конкретизация методологии системотехники применительно к проблематике и задачам организации процессов моделирования в КСАПР ИЭВТ, а также совершенствование структуры и развитие системотехнических разделов научно-теоретического обеспечения разработки высокоэффективных программно-аппаратных средств моделирования на база высокопроизводительных специализированных устройств и сопроцессоров, адекватных сложности объектов и процессов проектирования.
Основные задачи исследования. Достижение указанной цели обеспечивается решением следующих основных задач, обобщенно сведенных в два комплекса:
1. Исследование, развитие и конкретизация системотехнических
основ организации интегрированного моделирования в КСАПР ИЭВТ:
установление системных отношений и взаимодействий между субъектами, системами и процессами моделирования КСАПР ИЭВТ на интервале жизненного цикла проектируемого объекта;
формулирование и анализ основной, фундаментальной проблемы проектирования и моделирования - проблемы сложности создания объекта новой техники и обеспечения опережающего развития средств КСАПР ИЭВТ;
систематизация, обобщение, исследование и разработка структуры и состава научно-теоретического обеспечения моделирования как научного и технологического направления в КСАПР ИЭВТ;
разработка с единых методологических позиций системно-теоретических основ концепции интегрированного моделирования в КСАПР ИЭВТ, выявление и определение ядер информационных представлений и преобразований моделей как математических структур, алгоритмизация и аппаратная реализация которых наиболее рациональна для соответствующей проблемной и объектной ориентации.
2. Исследование, развитие и конкретизация системотехнических
основ организации программно-аппаратных средств моделирования в
КСАПР:
- - обобщение, разработка и исследование классов алгоритмических моделей и архитектурных решений программно-аппаратных средств моделирования, отражающих рациональную декомпозицию интегрированных и специализированных математических структур применительно к крупным классам объектов и задач моделирования;
;' - разработка, теоретическое и экспериментальное исследование основных структурных решений высокопроизводительных специализированных моделирующих устройств и сопроцессоров;
- разработка, теоретическое и экспериментальное исследование
организации перспективных программно-аппаратных систем и комплексов
интегрированного моделирования для КСАПР ИЭВТ;
разработка и обоснование направлений развития методологии, технологии и средств программно-аппаратной поддержки моделирования в перспективных КСАПР ИЭВТ.
Методы исследования. Поставленные задачи решаются на основе принципов системотехники с привлечением методологии и аппарата теорий тензорного исчисления, категорий и функторов, сетей Потри,
алгоритмов, конечных детерминированных и вероятностных автоматов, вычислительных структур и систем, принципов конструктивной математики, специальных теоретических моделей схемотехнического проектирования магнитооптических элементов и устройств, ряда положений и закономерностей системной эргономики, организации систем искусственного интеллекта, математической информатики.
Научная новизна. Совокупность научных результатов позволяет говорить о развитии в рамках научного направления моделирования в КСАПР иэвт системотехнического обоснования организации и разработки высокоэффективных программно-аппаратных средств моделирования, что открывает с единых системно-теоретических позиций конструктивный подход к практической разработке всех компонентов средств моделирования, особенно, высокопроизводительных специализированных устройств и сопроцессоров.
При выполнении исследований лично автором получены и представлены в опубликованных работах следующие научные результаты.
-
Впервые на основе принципов системотехники сформулирована концепция интегрированного моделирования в КСАПР ИЭВТ как совокупность методов и средств непрерывного обеспечения познавательной и верификационной функций на интервале жизненного цикла (ИЖЦ) сложного объекта проектирования. Предложена интерпретация взаимодействия процессов генерации, моделирования и координации в КСАПР как канонической схемы системы управления с обратными связями, содержащей подканалы исследования и контроля необходимых и достаточных условий реализуемости проектируемого объекта.
-
Впервые предложена системотехническая трактовка комплекса (ансамбля) моделей как сложной развивающейся системы - полимодели, обладающей сложной динамической организацией на ИЖЦ конкретного типа изделия данного вида. Сформулировано положение о необходимости осуществления опережающего управляемого развития средств полимоделирования для решения проблемы относительного редуцирования сложности проектируемого изделия.
-
Впервые сформулировано положение о целесообразности разработки обобщенной конструктивной теории интегрированного моделирования (ОКТИМ), включающей два взаимосвязанных направления - теорию моделей объекта и теорию моделирующей система, и позволяющей с единых системотехнических позиций изучать и вырабатывать конструктивные рекомендации для создания и комплексного развития средств интегрированного моделирования.
-
На основе обобщения и. анализа известных теоретических исследований выработана структура ОКТИМ, состоящая из трех разделов: качественная теория, теория методов преобразования и теория вычислительных методов. Ключевая системотехническая идея качественной теории основана на предложенной автором гипотезе о суиест"-вовании тензора:
1) в моделировании и, шире, - в иной целенаправленной деятель
ности, объективное физическое содержание понятий суть рензорное
отображение действительности, сохраняющее инвариантными основные
системоопределяющие концепты, контр- и ковариантными - физически
измеримые концепты;
2) всякое конструктивное (целенаправленное) преобразование,
сохраняющее тензоры системы, суть тензорное исчисление.
Ключевая системотехническая идея теории методов преобразования основана на конструктивной интерпретации математических структур современной алгебры и геометрии - категорий и функторов, применительно к проблематике и объектам интегрированного моделирования в КСАПР ИЭВТ. -
основу перехода от абстрактных моделей к прикладным методам и моделям инженерного проектирования специалиэироваяных моделирующих
устройств, процессоров, программных средств и комплексов на их основе составляет алгоритмическое моделирование функторов с целью последующей координатиэации канонизированных операторных схем тензор-имитационного исчисления в языковых, программных и аппаратных каркасах (реализациях).
5. Предложены новые структурные решения высокопроизводительных
устройств и процессоров для функционально-динамического модели
рования логических структур проектируемых ИЭВТ, в том числе с неис
правностями, исследованы с системотехнических позиций эффективность
и возможности целенаправленного синтеза исходного разнообразия
функционально-структурных решений для установления системных границ
задачи и изыскания оригинальных эффективных решений. Эти решения
обобщены на класс слохных дискретных систем с фиксированной
структурой (СФС).
6. Развит системный подход к разработке специализированных
устройств и сопроцессоров для моделирования стохастических объектов
при решении задач теории массового обслуживания, теории надежности,
испытаний, кодирования и других. Предложены оригинальные техничес
кие решения, защищенные свидетельствами на изобретение. Эти решения
вместе с предложениями по организации моделирующих комплексов
обобщены на класс сложных дискретных систем с перестраиваемой
структурой (СПС).
-
На основе системотехнического подхода сформулироьаны принципы построения моделирующих устройств для решения задач исследования слохных дискретных систем с динамической структурой (СДС).
-
Развиты идеи организации однородных многомодульных вычислительных структур о предложением применения в качестве комму -тируюцей среды (а также в качестве специализированных вычислителей) новых схемотехнических объектов - магнитооптических управляемых транспарантов с функциями логических матричных преобразователей.
Э. Изложенные в пп. 5-8 новые научные результаты позволяют говорить о развитии в области разработки моделирующих средств вычислительной техники научно-технического направления, названного автором разработкой модолируюяих процвссороо с адекватной архитектурой (МПАА).
10. Ряд научных положений относительно представления и организации знаний, аккумулированных в предложенных моделях, фактически составляют скелетную схему полинодоли знаний сложнейшей интеллектуальной системи, которой является КСАПР ИЭВТ, развивают в совокупности подход к трактовке системных процессов проектирования и моделирования как процессов переработки знаний в интеллектуальных системах. Существенным является также объединение в общей системной концепции перспективы роста интеллектуальной мощности КСАПР ИЭВТ и перспективы разработки высокоэффективных МПАА, на основе которых по взаимодействии с мощными программными средствами могут создаваться комплексы интегрированного моделирования.
Практическая ценность. Предложенные системотехнические концепции и теоретические положения дают в совокупности научное обоснование разработки высокоэффективных специализированных моделирующих устройств и сопроцессоров, а на их базе - комплексов интегрированного моделирования для КСАПР ИЭВТ. Практическая ценность полученных научных результатов включает методико-дмдактичоский и инженерно-прикладной аспекты.
1. Методическая значимость для преподавания и рит<*ния зг-ддч внешнего проектироиания п КСАПР ИЭВТ заключается в следующем:
разработанная концептуально-теоретическая база позро.пст развить нп основе конструктивного системотехнического подхолл содержание системных разделов основных дисциплин спйциїлизаций го
- &
САПР, по разработке элементов и устройств вычислительной техники и
систем управления, а также практически по всем техническим специ
альностям для аспирантов; - '
- новая парадигма в теории моделирования, обусловленная, преж
де всего, введением тензорной методологии и категорийно-функторных
структур, дает более совершенный с позиции системотехники, единый
методический подход к разработке адекватных решаемой задаче архи
тектур специализированных вычислительно-моделирующих средств, к
разработке концептуально-логической организации интегрированных баз
данных и алгоритмических моделей для взаимосогласованного представ
ления информационных образов объектов в КСАПР ИЭВТ с распростра
нением конструктивного системного анализа и единых математических
структур на все уровни детализации объекта, включая элементную
базу.
2. Прикладная значимость для решения задач внутреннего проектирования средств моделирования как элементов и устройств вычислительной техники и систем управления подтверждается следующими результатами:
разработка распространяемого "под ключ" с полным комплектом пользовательской документации программного комплекса MR-CAD для ввода, редактирования, документирования, функционально-динамического моделирования и моделирования с неисправностями схем проектируемых ИЭВТ (как объекта класса СФС);
разработка и исследование макетного образца событийного\ ускорителя логико-временного моделирования, разработка серийно-пригодного образца компилятивного ускорителя логического моделирования вентильного уровня для комплекса MR-CAD, пригодных в принципе для использования и в других системах логического моделирования при реализации соответствующих интерфейсных трансляторов;
разработка ряда специализированных моделирующих устройств для решения задач моделирования СПС, а именно для генерации случайных чисел, потоков событий и процессов с реализацией свойств структурной итеграцни и параметрической адаптации с целью достижения требуемых точностных либо скоростных характеристик; разработка высокопроизводительного прецизионного ДСЧ для серийно-выпускаемых ЭВМ ряда ЕС ЭВМ; разработка программно-аппаратного комплекса моделирования надежности СИМОНА;
обоснование рекомендаций по разработке специализированных, моделирующих, устройств для исследования моделей еде в КСАПР ИЭВТ и в системах управления реального времени;
разработка ряда оригинальных схемных решений коммутирующих и вычислительных устройств на- базе магнитооптических управляемых транспарантов для построения многопроцессорных моделирующих устройств; '.
обоснование рекомендаций по разработке технологий и комплексов интегрированного моделирования в КСАПР ИЭВТ на основе специализированных программно-аппаратных средств и средств интеллектуальной поддержки деятельности коллективов.специалистов, взаимодействующих
с КСАПР ИЭВТ.
Реализация результатов исследования. Научные и практические
результаты исследований использовались более чем в 20 научно-иссле
довательских и опытно-конструкторских работах, выполненных при
участии и под научным руководством (с 1982 г.) автора в Минском
радиотехническом институте в 1972-1985 гг. по темам NN 72034240,
1973 г.; 74038699, 1975 г.; 133837 ("Радиан"), 1975 г.; ГБ-78-1.9,
76044821, 1976 г.; У446Э1, 1979 г.; 80007060, 1980-1982 ГГ.;
ГБ-80-1.1, 80047140, 1980-1983 гг.; 01830027603, 1983 г.;
01840010989,1984-1985 гг.; 0016485П ("РОКОТ-МО"), 1984 Г.; 0013685П
("ЛИГАТУРА-МО"), 1984 г.; 0020285П ("ЛИГА -ТУРА-МО"), 1985 г.;
_g-
О022936П ("РОКОТ-МО"), 1986 г. и другим по заказу ВНИИ "ЭЛЕКТРОН-СТАНДАРТ" (Г.Санкт-Петербург), ВНИИ "АЛЬТАИР" (г.Москва), ВИККИ им.А.Ф.Можайского (г.Санкт-Петербург), нииэвм (г.Минск) и госбюджетным темам; с 1985 года - под научным руководством автора я Научно-исследовательском институте электронных вычислиталышх машин (г.Минск) по 4 темам Минрадиопрома, Института кибернетики им. В.М.Глушкова (г.Киев) и других заказчиков; результаты исследовании автора использовались в НИР в 1982, 1985 и 1Э87 гг. в Белорусском государственном университете под руководством д.т.и. профессора Широкова A.M. по заказу ЦНИИ КЭС (г.Москва), в 1Э0О - 1930 гг. - в Институте проблем надежности и долговечности машин АН РБ (г.Минск) под руководством д.т.н. Велигурского Г.А.; в 1991 г. - в Институте проблем управления РАН (г.Москва).
Комплекс моделирования hffi-CAD и его компоненты используются ъ ЦНИРТІІ, НИИ "АРГОН", НИИРА (г.Москва), ЦНИИ "МОРФИЭПРИБОР", ВИККИ им.А.Ф.Можайского (г.Санкт-Петербург), НИИМВС (г.Таганрог), НПНЭВМ, ВИЗРУ, СКТБ ПО "ИНТЕГРАЛ", (г.Нинск) и др. организациях (более 15).
Образцы специализированных моделирующих процессоров и устройств применялись во ВНИИ "ЭЛЕКТРОНСТАНДАРТ" (г.Санкт-Петербург), ВНИИ "АЛЬТАИР" (г.Москва), ЛИИ (г.Жуковский), СКТБ ПО "ИНТЕГРАЛ" (г.Минск), ИНДМАШ АН РБ (г.Минск).
Высокопроизводительный прецизионный датчик случайных чисел для репеиия задач моделирования стохастических процессов для ЕС ЭВМ, разработанный под руководством автора по темплану НИИЭВМ (г.Минск), прошел в 1990 году Государственные испытания и передан в серийное производство. Экспериментально исследованы событийный и компилятивный процессоры логического и логико-временного моделирования (с неисправностями) цифровых устройств не вентильном уровне.
Результаты исследований использовались в учебном процессе в лекциях и лабораторных работах по следующим основный дисциплинам: "Автоматизация конструирования" и "Автоматизация проектирования технологических процессов" по кафедре КиПЭВА, "Основы научных исследований" и "Моделирование систем"по кафедре вычислительных систем в Минском радиотехническом институте в 1981-1985 гг., "Методы математического моделирования в САПР" по кафедре "Математическое обеспечение САПР" Белорусского государственного университета в 1987-1989 гг., в лекциях для молодых специалистов, аспирантов и соискателей в МРТИ и НИИЭВМ. В 1988 году в ЛИТМО защищена выполненная под руководством автора кандидатская диссертация по магнитооптическим элементам вычислительной техники. Автор награжден в 1991 г. почетным знаком "Изобретатель СССР".
