книги / Основы построения САПР и АСТПП

а к ц е п т о р н о й п р и м е с и в б а з о в о м д и ф ф у з и о н н о м с л о е ; N 0 2 — п о ­ в е р х н о с т н о й к о н ц е н т р а ц и и а т о м о в д о н о р н о й п р и м е с и в э м и т -

т е р н о м д и ф ф у з и о н н о м с л о е ; т н . б — э ф ф е к т и в н о г о в р е м е н и

ж и з н и н е о с н о в н ы х н о с и т е л е й з а р я д а в б а з о в о й о б л а с т и т р а н ­ з и с т о р а ; V Z V 2 — д и ф ф у з и о н н о й д л и н ы , х а р а к т е р и з у ю щ е й и з ­

в т о р о м у и т р е т ь е м у э т а п а м ц и к л а п р о е к т и р о в а н и я и , к а к п р а ­

о б о з н а ч а ю т в е к т о р с и с т е м ы н е з а в и с и м ы х п а р а м е т р о в — ^ , в е к ­

ниям остальных параметров интегрального транзистора. Одна из важнейших задач синтеза — определение оптималь­

ных значений параметров компонентов в пределах выбранной принципиальной электрической схемы по заданному критерию. На примере расчета цифровых ИС покажем, что эту задачу можно сформулировать, как задачу нелинейного программиро­ вания. Основной логический элемент любой серии цифровых ИС обычно выполняет функцию И—НЕ/ИЛИ—НЕ и характеризу­ ется такими параметрами: NH— нагрузочная способность; Р — потребляемая мощность; С/п— помехоустойчивость; tz,v— за­ держка распространения сигнала и т. д. Параметры схемы яв-

51

ляются нелинейными функциями параметров активных и пас­ сивных компонентов, а также узловых емкостей схемы. Техниче­ ские требования к параметрам ИС обычно выражаются в виде неравенств Ыи^№ „ , U'n^sU0П|, U0„ ^U °„о, Р ^ Р ° и указывает­ ся один из параметров, который должен иметь экстремальное значение. Для сокращения записи формул обозначают вектор системы параметров активных компонентов А„, вектор системы параметров пассивных компонентов — Пп, вектор системы пара­ метров, характеризующий взаимосвязь компонентов, — Вп и за целевую функцию принимают один из параметров схемы (на­ пример, / З.р ) , а остальные параметры —ограничения. Тогда рас­ сматриваемую задачу можно сформулировать в виде общей за­ дачи нелинейного программирования:

/з.р(АП.ОПТ, П п.О П Т, Вп.опт) = ^ з .р .м н н при условии выполнения тре­ бований к значениям остальных параметров схемы.

Рассмотренным экстремальным задачам проектирования ИС можно дать общую математическую формулировку как задачам нахождения экстремума вещественной функции на некотором множестве G вещественного многомерного пространства.

Требования, которым должны удовлетворять вычислитель­ ные алгоритмы для решения экстремальных задач проектиро­ вания ИС, таковы:

1) определять, пусто множество G или нет, и, если оно пусто, давать информацию о противоречивых ограничениях g,‘ пример области G приведен на рис. 1.3 (заштрихованная часть). Вы­ полнение этого требования является исключительно важным, так как позволяет быстро давать однозначный ответ принципи­ альной возможности разработки конкретной ИС на предпола­ гаемом технологическом процессе и определять параметры ИС, требования к которым не могут быть выполнены. Это позволит разработчику ИС принять какое-либо решение: изменить требо­ вания, предъявляемые к ИС; сменить принципиальную электри­ ческую схему; выбрать другой технологический процесс изго­ товления ИС;

2) определять экстремум целевой функции независимо от принадлежности исходной точки области G. Многие известные вычислительные алгоритмы для решения экстремальных задач

sif

работают лишь в том случае, если исходные точки берутся внутри области G. Для экстремальных задач проектирования ИС такие алгоритмы непригодны, так как размеры области G часто бывают малыми и выбор исходных точек будет затруд­ нителен;

3)находить центр области G, что необходимо для решения таких вопросов проектирования ИС, как расчет максимального процента выхода годных схем, расчет максимальной вероятно­ сти работоспособности, расчет на максимальные запасы по ос­ новным функциональным параметрам ИС и т. п.;

4)обладать критерием выбора экстремума при неоднознач­ ном решении задач оптимизации;

5)иметь минимально возможную трудоемкость вычислений. Кроме того, для решения задачи полной автоматизации

оптимального проектирования ИС желательно, чтобы исходные точки выбирались автоматически. Эти требования, по существу, определяют класс алгоритмов, способных решать экстремаль­ ные задачи проектирования ИС. Принципы параллельной ин­ теграции могут быть проведены и относительно пятой задачи. Для первой, второй и третьей задач принципы параллельной интеграции проводить затруднительно, так как математические модели компонента, логической, электрической и топологиче­ ской схем различны по математической формулировке и мето­ дам решения. Однако это не означает, что принципы параллель­ ной интеграции неприменимы к задачам 1...3. Так, например, для решения задач структурного синтеза начали использоваться экспертные системы (см. гл. 6), имеются общие процедуры и в задачах моделирования на различных этапах проектирования (см. гл. 5).

§ 2.5. ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

При создании технического обеспечения имеется две тенден­ ции: 1) использование высокопроизводительных ЭВМ общего назначения для решения задач вычислительного характера; 2) разработка интерактивно-графических систем для решения графических задач. Для решения задач полного цикла проекти­ рования ИС оба эти подхода должны быть объединены. Это тем более справедливо, что разделение задач на вычислительные и

логии) — выход на мощную ЭВМ для решения вычислительной задачи (размещение компонентов и др.).

Основные факторы для выбора состава и структуры техни­ ческих средств: заданная производительность САПР, необходи­ мость эффективного взаимодействия разработчиков ИС с ЭВМ

53

и автоматического документирования окончательных резуль­ татов.

Заданная производительность САПР определяет в основном необходимые вычислительные мощности системы. Методика определения номинальной производительности системы вычис­ лительных средств достаточно сложна. Основная трудность заключается в определении объема вычислений, так как дли­ тельность цикла проектирования для каждой проектируемой схемы различна и будет зависеть от сложности схем, степени интеграции компонентов на кристалле, языков программирова­ ния, эффективности трансляторов и других причин, среди кото­ рых большое значение имеет объем оперативной и внешней па­ мяти, скорость обмена информацией в системе и т. д.

Эффективное взаимодействие разработчиков с ЭВМ вполне обеспечивается режимом разделения времени (диалоговый ре­ жим на фоне пакетной обработки). Одно из достоинств этого режима — возможность одновременно нескольким проектиров­ щикам ИС через свои средства связи иметь доступ к централь­ ным вычислительным средствам системы. Это особенно важно при проектировании большой номенклатуры сложных ИС. Имея непосредственный и постоянный доступ к ЭВМ, проектировщик может принимать дальнейшие решения сразу же по получении первых результатов расчета, существенно изменять ход реше­ ния, сократив, например, число интера , явных циклов или из­ менив исходные данные, вообще прекращать вычисления как нецелесообразные или продолжать вычисления. В таком режи­ ме значительно сокращаются потери времени и при отладке программ.

Сформулируем положения, на основании которых должны создаваться технические средства САПР ИС:

1)вся система технических средств должна быть реализо­ вана как набор средств вычислительной техники и периферий­ ного оборудования, объединенных по иерархическому принципу, иметь во главе достаточно мощные вычислительные средства;

2)центральная ЭВМ [одна или несколько — так называемый центральный вычислительный комплекс (ЦВК)] должна иметь достаточно высокое быстродействие и большой объем оператив­ ной и внешней памяти (например, ЕС-1066, «Эльбрус-1,2» в пол­ ном комплекте);

3)система должна иметь необходимые аппаратные и про­ граммные средства, обеспечивающие работу в режиме разделе­

ния времени и в режиме пакетной обработки; 4) рабочие места проектировщиков ИС должны иметь мини-

ЭВМ с необходимым набором периферийного оборудования в соответствии с назначением рабочих мест и средствами связи с центральными ЭВМ;

5) структура системы должна быть универсальной и допус­

54

кать резервирование и расширение состава по мере совершенст­ вования системы и увеличения ее надежности и производитель­ ности.

Технические средства на рабочих местах проектировщиков совместно с общесистемным математическим обеспечением должны позволять решать следующие задачи: быстрый доступ проектировщиков к данным, находящимся в памяти ЭВМ с целью их контроля и внесения изменений; редактирование дан­ ных в процессе ввода; наглядное отображение данных; доку­ ментирование результатов; проектирование задач относительно небольшого объема.

При проектировании БИС для наиболее полного использо­ вания возможностей периферийного оборудования необходимо иметь три основных типа рабочих мест, отличающихся конкрет­ ным составом аппаратуры, входными языками взаимодействия проектировщика с ЭВМ для решения следующих задач:

1)функционально-логического, схемотехнического и физикотехнологического проектирования;

2)' проектирования топологии ИС;

3)изготовления конструкторской документации.

Наличие на рабочем месте вычислительной машины опреде­ ляется необходимостью информационно-логических преобразо­

т. д. Непосредственно на рабочем месте с помощью ЭВМ может решаться определенный класс задач, например составление уравнений для анализа схемы в статическом и динамическом режимах, программ анализа схем и транзисторов без учета до­ пусков и др. На рабочем месте должны быть накопители на магнитных лентах и магнитных дисках (ориентировочно по од­ ному), предназначенные для хранения управляющих и обслу­ живающих программ, архивных материалов, например комп­ лектов разработанных топологических масок для каждой ИС и т. д.

Организационно система технических средств САПР может состоять из ряда специализированных подсистем, объединяю­ щих однотипные рабочие места. Конкретные типы ЭВМ, графи­ ческие и алфавитно-цифровые дисплеи, графопостроители, ко­ дировщики и их характеристики приведены в прил. 1.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1.Какие задачи решаются при построении САПР ИЭТ?

2.Какие и сколько существует требований к САПР ИЭТ?

3.Изобразите типовую структуру САПР ИЭТ.

4.Какие основные составляющие части образуют САПР ИЭТ?

5.Какую роль в САПР играет общее программное обеспечение?

в.Какую роль в САПР играют технические средства?

55

Глава 3

КЛАССИФИКАЦИЯ САПР. ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ

Системы автоматизированного проектирования, появившиеся в 60-х годах, нашли основное применение в подготовке и кор­ ректировке конструкторской документации, так как сам про­ цесс проектирования подразумевал создание какого-то геомет­

управления производством. Контроль работы данных подсистем может осуществлять АСУ. Интегрируя АСУ и АСУП можно по­

ним цели, ради которых она разрабатывается:

обеспечение высоких темпов научно-технического прогресса; повышение качества и технико-экономического уровня про­ ектируемых изделий, производительности труда проектно-кон­

структорских работ; уменьшение стоимости создаваемых изделий, сроков проек­

тирования, трудоемкости процесса проектирования, вероятности появления ошибки в проекте изделия;

56

сокращение доли рутинных проектных работ; повышение качества проектной документации, производи­

тельности работ индивидуального разработчика; исключение на ранней стадии неудачных проектов.

§3.1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ КЛАССИФИКАЦИИ САПР

Вклассификации САПР можно выделить четыре направле­ ния: по этапам развития ЭВМ как основного компонента САПР; по классам используемых ЭВМ; по возможностям, предлагае­ мым пользователю САПР; по маршрутам проектирования ИЭТ.

Классификация по этапам развития ЭВМ. Различают четы­ ре поколения САПР.

РАЗДАН-З, «Минск-22». Примерами таких САПР служат «Аврора», АСП-1, «Автограф», ПА-1 и др.

В т о р о е п о к о л е н и е САПР использует ЭВМ БЭСМ-6, «Электроника-60», М-6000, координатографы и графопостроите­ ли КПА-1200, «Минск-2004», «Минск-2005», ЭМ-583, ЭМ-209 и т. д.

Т р е т ь е п о к о л е н и е САПР строилось на основе ЕС ЭВМ

(ДВК-1, ДВК-2, ДВК-ЗМ, ДВК-2М, ДВК-4, «Электроника 85»), персональных ЭВМ (ЕС-1840, ЕС-1841).

Классификация по классам используемых ЭВМ. Имеется че­ тыре класса используемых ЭВМ.

К п е р в о м у к л а с с у относятся САПР, в основе которых используются мини- и микроЭВМ. Такие системы в основном предназначены для автоматизации проектирования фотошабло­ нов микросхем и печатных плат, управления станков при изго­ товлении механических конструкций изделий электронной тех­

ность и надежность систем. Комплексирование ЭВМ позволяет реализовывать иерархическую структуру ТС САПР (2...3 уров­ ня ЭВМ).

К т р е т ь е м у к л а с с у относятся САПР, в которых предус­ матриваются системы разделения времени и режим мультидос­ тупа. Их создание особенно целесообразно в тех случаях, когда в пределах нескольких проектных отделов имеется достаточное количество терминалов, допускающих работу над одним и тем

57

же проектом или его частями. Естественно, ядром ТС должна быть суперЭВМ.

К ч е т в е р т о м у к л а с с у относятся САПР, которые харак­ теризуются наличием ЭВМ всех уровней и сетей. Такие сети ЭВМ могут строиться на отраслевом или региональном уровне. Сетевая структура ТС позволяет многократно увеличить мощ­ ность САПР, создавать интегрированные банки данных для автоматизации проектно-конструкторских работ. База данных (БД) может содержать сведения о различных узлах, комплек­ тующих изделиях, измерительных приборах, различных алго­ ритмах и программах.

Классификация по возможностям, предлагаемых пользова­ телю САПР. Различают инженерные, специализированные, уни­ версальные и уникальные САПР.

И н ж е н е р н ы е САПР, реализованные на мини- и микроЭВМ, предназначены для выполнения отдельных видов ин­ женерных расчетов и проектных работ (проектирования прин­ ципиальных электрических и электронных схем, выполнения чертежно-графических работ, проведения механопрочностных расчетов). Некоторые инженерные САПР называются автома­ тизированными рабочими местами (АРМ), например АРМ-С —

стему коллективного пользования, ориентированную на выпол­ нение наиболее массовых проектных работ по конкретному из­ делию. С помощью таких систем проектировщик получает воз­ можность использовать адекватные математические модели, методы моделирования и оптимизации на всех основных ста­ диях проектирования ИЭТ. Специализированные САПР соот­ ветствуют второму классу.

У н и в е р с а л ь н ы е САПР часто носят отраслевой характер и обеспечивают коллективное пользование при проектировании всей номенклатуры технических изделий. Например, Проекти­ рование радиоприемников от электрического тракта до аппара­ турной реализации (компоновка, сборка, внешний вид и т. д.). ТС универсальных САПР строятся по двухили трехуровнево­ му иерархическому принципу: на первом уровне — суперЭВМ (высокое быстродействие и большая оперативная и долговре­ менная память); на втором — средние и мини-ЭВМ, обслужи­ вающие отдельные терминалы, устройства и абонентские пуль­ ты; на третьем — миниили микроЭВМ, являющиеся индиви­ дуальным рабочим местом пользователя САПР. Универсальные САПР соответствуют третьему классу.

Уника льные САПР носят межотраслевой характер и соз­ даются для решения крупных народнохозяйственных задач. Они соответствуют четвертому классу.

58

Классификация по маршрутам проектирования ИЭТ. Разли­ чают интегрированные САПР, системы сквозного автоматизи­

нальном уровне. Технические средства таких систем представ­ ляют собой чаще всего высокопроизводительные ЭВМ с ЦВК на верхнем уровне иерархии и с микроили персональными ЭВМ на нижнем уровне. Интегрированные САПР особенно эф­ фективны при разработке новых ИЭТ с учетом новых техноло­ гий и материалов.

заранее определенных задач по принципу конвейерной обработ­ ки информации. В составе ТС ССАПР могут использоваться ЭВМ среднего класса и быстродействия. Эффективность таких систем определяется в основном системным и прикладным про­ граммным обеспечением. Переналадка ССАПР на проектиро­ вание других изделий затруднена и часто экономически необос­ нованна. Окупаемость таких систем достигается при производ­ стве больших партий ИЭТ.

С и с т е м ы а в т о м а т и ч е с к о г о п р о е к т и р о в а н и я (САВПР) нашли основное применение при разработке элемент­ ной базы ИЭТ. Они могут реализовываться на любом классе ЭВМ. Характерная черта САВПР— минимальное участие чело­ века в процессе проектирования. Такие системы являются даль­ нейшим развитием ССАПР; по принципам построения они близ­ ки к системам с искусственным интеллектом.

производствам (ГАП). Гибкие САПР характеризуются свойст­ вом настраиваемости системы на требуемые технические сред­ ства и класс решаемых задач. Первое свойство называют мо­ бильностью, второе — адаптивностью.

Приведенные классификации обладают взаимным соответст­ вием. Графическое представление трех последних классов по­ казано на рис. 3.2.

Система автоматизированного проектирования является сложной человеко-машинно-программной системой и составляет подкласс информационных кибернетических систем.

Взаимосвязь основных составляющих САПР представлена на рис. 3.3, где структурно отображено взаимодействие челове­ ка (пользователя САПР), ЭВМ (ТС) и прикладного (ППО) и системного (ОС) программного обеспечения. Пользователь мо­ жет общаться с ЭВМ только с помощью какого-либо языка, за­ давая необходимые режимы работы САПР и описывая объект

59

Рис. 3.2. Классификация систем автоматизированного проектирования