на основе каких методов выполняется проектирование сложных технических систем и конструкций

МЕТОДОЛОГИЯ И ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СЛОЖНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Общие сведения о процессе проектирования

Сложную техническую систему (СТС) необходимо рассматривать во времени и пространстве. Описание существования СТС во времени приводит к понятию жизненного цикла, а в пространстве к понятию внешней среды, с которой взаимодействует СТС в процессе функционирования.

Под жизненным циклом СТС понимается структура процесса ее создания, производства и эксплуатации, охватывающего время от возникновения идеи создания системы до снятия ее с эксплуатации. Жизненный цикл, как правило, включает следующие составляющие: 1) планирование (включающее обоснование целесообразности создания СТС); 2) научно-исследовательские работы (завершающиеся формированием основных требований к системе и разработкой технического задания на создание СТС); 3) проектирование (завершающееся разработкой проектной документации на создание СТС); 4) производство (создание строительство); 5) эксплуатация.

Отметим условность выделенных составляющих жизненного цикла. Так, например, часто рассматривается шестая составляющая – модернизация (модификация) системы. Структура жизненного цикла СТС представлена на рис. 1.

Рис. 1. Общая структура жизненного цикла изделия:

АСП, АСНИ, АССИ – автоматизированные системы планирования, научных и статистических исследований; САПР – система автоматизированного проектирования; АСУП, АСУТП, ГПС – автоматизированные системы управления производством, технологическими процессами, гибкими производственными системами

Проектирование является важной составляющей жизненного цикла СТС. Цель проектирования состоит в поиске, фиксации и документальном оформлении информации об объекте проектирования, которая необходима для его создания.

Проектированием называется процесс составления описания, необходимого для создания в заданных условиях еще не существующего объекта на основе первичного описания этого объекта и (или) алгоритма его функционирования или алгоритма процесса преобразования (в ряде случаев неоднократного) первичного описания, оптимизации заданных характеристик объекта и алгоритма его функционирования или алгоритма процесса преобразования, устранения некорректности первичного описания и последовательного представления (при необходимости) описаний на разных языках.

Таким образом, в процессе проектирования исходное описание преобразуется в конечное, формируя при этом необходимое количество промежуточных описаний. Промежуточное или конечное описание объекта проектирования, необходимое и достаточное для рассмотрения и определения дальнейшего направления или окончания проектирования, называется проектным решением.

Составляющая, касающаяся научно-исследовательских работ, называется внешним проектированием или макропроектированием. Эта составляющая в общем случае включает следующие стадии: 1) предпроектные исследования; 2) разработка технического задания (TЗ); 3) разработка технического предложения (ТП).

На этих стадиях реализуются следующие процедуры: 1) последовательно изучаются потребности в получении новых систем с заданным целевым назначением; 2) уточняется цель, ради достижения которой создается система; 3) устанавливается круг решаемых ею задач; исследуются свойства внешней среды и определяются характеристики её воздействия на систему; 4) исследуются физические, информационные, конструктивные и технологические принципы построения системы и возможности реализации этих принципов; 5) прогнозируются возможные значения характеристик и параметров объектов. Результатом научно-исследовательских работ являются формулировка ТЗ и ТП на разработку нового объекта.

Составляющие жизненного цикла «проектирование» называется внутренним проектированием или микропроектированием. Здесь определяются: 1) внутренняя структура системы; 2) технические решения её подсистем и элементов; 3) основные качественные количественные параметры; 4) режимы эксплуатации и др. Цель внутреннего проектирования состоит в разработки всей проектной документации для создания системы, которая удовлетворяет требованиям ТЗ и ТП, т. е. требованиям внешнего проектирования. Внутренние проектирование включает в себя следующие стадии: 1) эскизное или предварительное проектирование; 2) техническое проектирование; 3) рабочее проектирование.

На стадии эскизного или предварительного проектирования формируется техническая концепция основных параметров системы, обеспечивающих выполнение требований ТЗ, и уточняется ТЗ. На стадии технического проектирования принимаются подробные технические решения, прорабатываются все части проекта. На стадии рабочего проектирования уточняются параметры и характеристики системы, детально прорабатываются все технические решения, создаются полный комплект проектной документации, необходимой для создания системы.

1.2. Принципы, уровни и аспекты проектирования,
пути повышения его эффективности

Возможности проектирования сложных технических систем (сложных объектов) обусловлены использованием ряда принципов, основными из которых являются: 1) декомпозиция; 2) иерархичность; 3) многоэтапность; 4) типизация и унификация проектных решений, методологии и средств проектирования.

Принцип декомпозиции предполагает структуризацию (разбиение) представлений соответствующего уровня описания объекта на составные части с целью их раздельного проектирования с учетом согласования принимаемых решений.

Принцип иерархичности предполагает структуризацию представлений об объектах и их составных частях по степени конкретизации и детализации описания с целью последовательного наращивания сложности описания объекта в сочетании с декомпозицией.

Разделение описаний по степени детализации отображаемых свойств и характеристик объекта лежит в основе блочно-иерархического подхода к проектированию и приводит к появлению иерархических уровней (уровней абстрагирования) в представлениях о проектируемом объекте (рис. 2). На каждом иерархическом уровне используются свои понятия системы и элементов. На уровне I (верхнем уровне) подлежащий проектированию сложный объект S рассматривается как система из n взаимосвязанных и взаимодействующих элементов S_i, где i = 1, 2,…, n. Каждый из элементов в описании уровня I представляет собой также довольно сложный объект, который, в свою очередь, рассматривается на уровне II как система, состоящая из m_i взаимосвязаных и взаимодействующих элементов S_ij,где j =1,2,…, m_i (m_i – количество элементов в описании системы S_i). Как правило, выделение элементов S_ij происходит по функциональному признаку. Подобное разделение продолжается вплоть до получения на некотором уровне элементов, описания которых дальнейшему делению не подлежит. Такие элементы по отношению к объекту S называют базовым элементами.

Принцип многоэтапности обусловливается тем, что процесс проектирования во времени в соответствии со степенью конкретизации описаний и готовности проектных решений подразделяется на стадии, этапы, проектные процедуры и операции.

Принцип итерационности проектирования заключается в том, что при разработке сложных объектов в условиях многоэтапного иерархического проектирования выработать рациональные проектные решения путём однократного прохождения необходимых этапов и уровней удаётся далёко не всегда. Поэтому чаще всего проектирование ведут как итерационный процесс с возвратом к предшествующим этапам и уровням.

Принцип типизации и унификации проектных решений, методологии и средств проектирования осуществляется с целью улучшения технико-экономических показателей объектов, сокращения трудоёмкости и сроков проектирования. Типизация проектных решений целесообразна при их многократном использовании, она предполагает отбор ограниченного количества проектных решений, которые можно применять в широком диапазоне изменения параметров внешней среды. Унификация методологии проектирования предполагает выбор и разработку методов и методик, обеспечивающих достаточно эффективное проектирование объектов соответствующего класса (группы). Унификация средств проектирования предполагает разработку проектных процедур и операций, выполняемых непосредственно проектировщиком, либо с использованием технических и программных средств, для ведения проектирования объектов соответствующего класса (группы).

Кроме расчленения описаний по степени подробности отражения свойств объекта, порождающего иерархические уровни, используют декомпозицию описаний по характеру отображаемых свойств объекта. Такая декомпозиция приводит к появлению ряда аспектов описаний. Наиболее крупными являются функциональный, конструкторский и технологический аспекты. Решение задач, связанных с преобразованием или получением описаний, относящихся к этим аспектам, называют соответственно функциональным, конструкторским и технологическим проектированием.

Функциональный аспект связан с отображением основных принципов функционирования, характера физических и информационных процессов, протекающих в объектах, и находит выражение в принципиальных, функциональных, структурных, кинематических схемах и сопровождающих их документах.

Конструкторский аспект связан с реализацией результатов функционального проектирования, т.е. с определением геометрических форм объектов и их взаимным расположением в пространстве.

Технологический аспект относится к реализации результатов конструкторского проектирования, т.е. связан с описанием методов и средств создания объектов.

Существуют следующие пути повышения эффективности и рационализации процесса проектирования: типизация, оптимизация, автоматизация. Типизация заключается в многократном использовании при проектировании сложных объектов типовых проектных решений, что позволяет значительно повысить производительность и сократить трудоемкость и сроки проектирования. Оптимизация предполагает принятие таких решений, которые в наибольшей степени соответствуют требованиям, являющимся критериальными, и удовлетворяют требования, используемые в качестве ограничений. Автоматизация проектных работ, это внедрение автоматизированного проектирования, при котором отдельные преобразования описаний объекта и алгоритма его функционирования или алгоритма процесса, а также представления описаний на различных языках осуществляются взаимодействием человека и ЭВМ.

1.3. Структура и составные части процесса проектирования.
Нисходящее и восходящее проектирование

Процесс проектирования как процесс, развивающийся во времени и пространстве, расчленяется на стадии, этапы, проектные процедуры и операции. При проектировании СТС выделяют стадии: предпроектных исследований, технического задания, технического предложения, эскизного (предварительного) проектирования, технического проектирования, рабочего проектирования.

На стадиях предпроектных исследований, технического задания и технического предложения на основании изучения потребностей общества в получении новых систем, научно-технических достижений в данной и смежной отраслях промышленности, имеющихся ресурсов определяют назначение, основные принципы построения технического объекта и формулируют техническое задание на проектирование. На стадии эскизного (предварительного) проектирования проверяется корректность и реализуемость основных принципов и положений, определяющих функционирование будущего объекта. На стадии технического проектирования выполняется всесторонняя проработка всех частей проекта, конкретизируются и детализируются технические решения. На стадии рабочего проектирования формируется вся необходимая документация для создания системы.

Этап проектирования – часть процесса проектирования, включающая в себя формирование всех требующихся описаний объекта, относящихся к одному или нескольким иерархическим уровням и аспектам. Часто название этапов совпадает с названиями соответствующих иерархических уровней и аспектов.

Проектная процедура – часть этапа, выполнение которой заканчивается получением проектного решения. Каждой проектной процедуре соответствует некоторая задача проектирования, решаемая в рамках данной процедуры.

Действие или формализованная совокупность действий, составляющих часть проектной процедуры, алгоритм которых остается неизменным для ряда проектных процедур называется проектной операцией. Соответственно проектная процедура, алгоритм которой остается неизменным для различных объектов проектирования или различных стадий проектирования одного и того же объекта, называется унифицированной проектной процедурой.

Если процесс проектирования построен так, что решение задач высоких иерархических уровней предшествует решению задач более низких иерархических уровней, то проектирование называют нисходящим. Если раньше выполняются этапы, связанные с низшими иерархическими уровнями, проектирование называют восходящим.

У каждого из этих двух видов проектирования имеются преимущества и недостатки. При нисходящем проектировании система разрабатывается в условиях, когда ее элементы еще не определены и, следовательно, сведения об их возможностях и свойствах носят предположительный характер. При восходящем проектировании, наоборот, элементы проектируются раньше системы и, следовательно, предположительный характер имеют свойства самой системы. В обоих случаях из-за отсутствия исчерпывающей исходной информации имеют место отклонения от потенциально возможных оптимальных технических результатов. Подобные отклонения неизбежны при блочно-иерархическом подходе, хотя альтернативы блочно-иерархическому подходу при проектировании сложных систем не существует.

Источник

1 принципы и методы проектирования сложных технических систем

1 Принципы и методы проектирования сложных технических систем

1.1 Принципы проектирования сложных технических систем

Декомпозиция проектируемого объекта приводит к иерархическому принципу проектирования по этапам. Чем сложнее проектируемый объект, тем больше уровней иерархии. Проверку правильности проектных решений, их соответствие требуемым параметрам необходимо обеспечить ещё на стадии проектирования. Последовательное приближение к выполнению заданных требований по результатам моделирования и оптимизация на каждом этапе проектирования БИС составляется суть итерационного принципа проектирования. Итерации могут выполняться как внутри одного этапа проектирования, так и между группами этапов. Унификация задач и составляющих частей объектов проектирования позволяет упростить сам процесс и представить объекты в базе данных более компактно. Объекты должны быть максимально унифицированы (т.е. иметь минимально возможную номенклатуру). Основная цель унификации – минимизация числа вновь разрабатываемых БИС. Контролируемость каждого этапа – важный принцип проектирования. Контроль может быть совмещен с процессом проектирования или выделен из него. Контроль правильности выполнения работ на различных этапах проектирования БИС называют верификацией.

1. 2 Методы проектирования сложных технических систем

Разнообразие конструктивно-технологических методов создания БИС обусловлено стремлением улучшить технико-экономические показатели, минимизировать длительность процесса проектирования, обеспечить проектирования БИС высокой сложности, повысить качество проектирования БИС (главным образом, безошибочность).

Методы проектирования классифицируются:

1) по способам организации выполнения проектных процедур: экспериментальные (макетирование и физическое моделирование) и теоретические (расчет по аналитическим выражениям, математическое моделирование);

2)по степени автоматизации выполнения проектных процедур: автоматизированные и автоматические.

Рассмотрим наиболее распространенные методы в порядке их появления в практике проектирования.

Физическое моделирование заключается в изучении объектов одной физической природы с помощью объектов имеющих другую физическую природу, но одинаковое с ними математическое описание.

Математическое моделирование. Наиболее существенное отличие этого метода в том, что математические модели БИС получают без или при минимальных упрощениях, и они более адекватно описывают процессы, происходящие в реальных устройствах. При математическом моделировании можно «точно» решать экстремальные и статистические задачи, определяющие качество проектирования.

По степени автоматизации выполнения проектных процедур методы проектирования делятся на автоматизированные и автоматические. Это деление условно, так как с развитием средств вычислительной техники, а так же в связи с успехами вычислительной математики и программирования, роль автоматического проектирования постоянно возрастает. Создание автоматических систем проектирования требует решения ряда сложных проблем: структурного синтеза на всех этапах проектирования, организации поддержания и совершенствования базы знаний, обеспечение возможности моделирования БИС совместно с другими функциональными узлами в составе сложной технической системы. Важной проблемой, которую удалось решить с помощью автоматических систем, является относительно простой переход при проектировании БИС от одних конструктивно-технологических ограничений к другим.

2. Этапы проектирования БИС

Проектирование современных СТС, в том числе и систем на кристалле, включает следующие уровни:

Системный (процессор — память — коммутатор, ППК);

Целесообразно разделить их на следующие группы уровней (этапов) проектирования:

Группа уровней, в которых работает каждый конкретный проектировщик, называется окном проекта. В окно проектировщика БИС входят следующие этапы.

1. Разработка спецификации включает процедуры проектирования алгоритма функционирования БИС и исходных тестовых последовательностей, моделирование алгоритма и получение выходных последовательностей. Полученная спецификация записывается в базу данных проекта и служит основанием для проверки корректности последующих этапов проектирования.

2. Логическое проектирование заключается в составлении функциональных схем БИС. Компонентами функциональной схемы являются элементарные блоки, образующие логический базис проекта. Задачей логического синтеза, например, функционального узла ЭВМ, является выбор базиса логических элементов (ЛЭ) для построения различных БИС и соединение их между собой так, чтобы осуществлялось заданное функционирование. Синтез логических схем может производиться как автоматически по структурной схеме (или по описанию поведения схемы) в заданном логическом базисе, так и вручную. В обоих случаях САПР поддерживает этот этап средствами логического моделирования. Логическое моделирование на ЭВМ выявляет ошибки в схеме, позволяет оценить правильность временных соотношений, минимизировать число ЛЭ, оптимизировать перечень и состав частей (блоков) системы. Проверка функционирования логической схемы включает анализ логических функций, реализуемых схемой, и временных соотношений (наличие критических путей, рисков сбоя и состязаний сигналов).

3. На этапе схемотехнического проектирования решаются следующие задачи:

структурный синтез принципиальной электрической схемы БИС;

анализ полученной схемы (расчет статических состояний и переходных процессов);

статистический анализ и оптимизация.

Под структурным синтезом понимается получение конфигурации принципиальной электрической схемы, оптимальным образом (по заданным критериям) удовлетворяющей требованиям ТЗ.

Задача анализа заключается в формировании математической модели анализируемой ИС в виде систем дифференциальных или трансцендентных уравнений и решении этих систем. При этом проектировщик обычно проводит анализ статических, динамических или частотных характеристик ИС.

При статистическом расчете необходимо провести:

статистическую обработку результатов измерений или расчет параметров математических моделей компонентов;

статистический анализ схемы;

статистическую оптимизацию по параметрам компонентов;

статистическую оптимизацию по тестовым нормам.

Основная его задача формулируется просто — по известным статистическим распределениям параметров компонентов схемы необходимо вычислить статистические распределения параметров самой ИС. Однако практическая реализация статистического анализа ИС связана с рядом трудностей (большие затраты машинного времени, необходимостью использования в качестве исходных данных информации о разбросе параметров компонентов ИС, получение такой информации сопряжено с большими затратами времени и средств и не всегда может быть выполнено в полном объеме.) Наиболее широкое применение получили два метода: метод наихудшего случая (МНС) (Выходной параметр схемы должен находиться в пределах установленного поля допуска при наихудших сочетаниях погрешностей параметров компонентов) и метод Монте-Карло (состоит в N-кратном выполнении анализа работы объекта проектирования, причем в каждом варианте анализа задаются случайные значения внутренним параметрам в соответствии с их законами распределения и фиксируются получающиеся значения выходных параметров).

Топология — это аналог электрической схемы в виде набора геометрических образов слоев кристалла. В каждом слое имеется определенное число фигур, расположенных относительно друг друга.

Соединения между элементами выполняются в соответствии с принципиальной электрической схемой. Они реализуются в виде металлизированных дорожек. Чтобы избежать пересечения металлических дорожек, соединения выполняют в различных слоях топологии. Количество слоев зависит от технологии изготовления ИС. Некоторые размеры топологии (например, размеры эмиттерной области) определяют ее электрические свойства, другие (расстояние между фигурами одного слоя или допуска на совмещение фигур разных слоев) должны удовлетворять конструкторско-технологическим ограничениям (КТО).

При проектировании топологии БИС необходимо решать следующие задачи:

Задачами синтеза топологии являются:

• разработка библиотеки элементов;

• разбиение схемы на части — декомпозиция электрической схемы;

• размещение элементов на кристалле;

Задачи контроля топологии:

• проверка конструкторско-технологических ограничений;

• проверка соответствия топологии электрической схеме;

• экстракция электрической схемы из топологии.

Задачи проектирования фотошаблонов:

• представление области экспонирования в виде набора прямоугольных областей, которые могут быть обработаны микрофотонаборной установкой (МФНУ) или генератором изображений (ГИ);

• преобразование описания фотооригинала в последовательность команд в соответствующем формате, представляющих управляющую информацию для МФНУ и ГИ.

На данном этапе решаются следующие задачи:

• расчёт физической структуры ИС (диффузионный профиль, электрофизические параметры в различных диффузионных слоях) для заданной последовательности технологических операций с заданными параметрами и проводится оптимизация параметров технологического процесса для получения заданной физической структуры;

• расчёт характеристик и параметров резистивных и транзисторных планарно-эпитаксиальных структур с учетом двумерного распределения плотности носителей заряда;

• оптимизация физической структуры и топологии биполярного или МОП-транзистора при наложении ограничений на его параметры;

• расчёт характеристик и параметров металлизированных внутрисхемных соединений (с учетом их распределенного или сосредоточенного характера) и их взаимное влияние.

3 Проектные процедуры и схема проектирования

На каждом этапе проектирования выполняются одни и те же проектные процедуры: структурный синтез, составление математической модели, анализ математической модели, оптимизация параметров математической модели и ее статистический анализ.

На каждом этапе исходными данными являются требуемые параметры объекта проектирования, а выходными — информация для следующего этапа, а также информация для изготовления фотошаблонов и контрольно-измерительного оборудования, если этап — последний. На каждом этапе проектирование начинается с решения задачи структурного синтеза, т. е. с принятия технического решения о начальном варианте структуры объекта проектирования (блок 1). Затем выбранный вариант структуры оценивается с точки зрения удовлетворения требованиям ТЗ (блоки 2-5). Для оценки каждого варианта структуры в блоке 2 составляется математическая модель, связывающая выходные параметры объекта проектирования с его внутренними и внешними. После ввода значений внутренних и внешних параметров в математическую модель (блок 3), определяются значения выходных параметров объектов проектирования (блок 4).

В блоке 5 рассчитанные значения выходных параметров сравниваются с соответствующими значениями из ТЗ и принимается решение о дальнейших действиях. Блоки 1-5 составляют ветвь детерминированного проектирования. В том случае, если значения выходных параметров не удовлетворяют требованиям ТЗ, возможны три варианта дальнейших действий, направленных на их изменение с целью удовлетворения предъявляемым требованиям: провести параметрическую оптимизацию, изменить структуру объекта проектирования или скорректировать ТЗ (блоки 8-10). Причем последнее крайне нежелательно, т. к. на это требуется согласие заказчика. После того, как в результате детерминированного проектирования требования к выходным параметрам объекта проектирования будут удовлетворены, проводится статистический анализ с целью определения процента выхода годных ИС при производстве и, соответственно, их стоимости. Если процент выхода годных недостаточен (определяется в блоке 7), то дальнейшие действия проектировщика должны развиваться по тем же трем вариантам, описанным выше (блоки 8-10), с целью максимизации процента выхода годных за счет учета реальных статистических распределений параметров материалов и технологических процессов, применяемых при изготовлении ИС.

4 Архитектура САПР БИС. Маршруты проектирования

САПР состоит из двух основных составляющих: аппаратной и программной. Роль аппаратной составляющей в САПР выполняют технические средства (компьютеры и периферийное оборудование), а программной — пакеты прикладных программ (ППП) для различных уровней проектирования (средства проектирования). Как правило они функционируют в общей среде проектирования.

Технические средства — это совокупность ЭВМ и периферийных средств для ввода, хранения, переработки информации, передачи программ и данных, организации взаимодействия проектировщика с ППО САПР и изготовления проектной документации. Состав и организационная структура технических средств САПР БИС определяется требуемой производительностью. Основные виды:

1) персональный профессиональный компьютер с соответствующей периферией, обеспечивающий сквозное проектирование элементов и фрагментов БИС;

2) профессиональные персональные компьютеры в локальной сети ЭВМ для выхода на мощные вычислительные средства;

3) рабочую станцию, обеспечивающую сквозное проектирование БИС;

4) рабочие станции в локальной сети ЭВМ;

5) открытые вычислительные системы;

6) интеллектуальную инженерную САПР БИС на основе персональных ЭВМ с необходимым набором периферийных устройств;

7) использование средств Интернета.

Программные средства проектирования

Общесистемные программные средства (ОПС) представляют совокупность системных программ, организующую выполнение прикладных программ на технических средствах САПР. Часть ПО, предназначенную для планирования и организации ввода/вывода, подготовки и отладки программ, распределения ресурсов и обработки данных, называют операционной системой. Операционная система состоит из обрабатывающих программ, составляющих подсистему подготовки программ (внешнее ПО), и управляющих, образующих подсистему исполнения программ (внутренее ПО).

Прикладное программное обеспечение (ППО) представляет совокупность пакетов прикладных программ (ППП) для всех этапов проектирования БИС и инструкций по их использованию. Прикладное программное обеспечение САПР БИС должно состоять из набора ППП, причем для каждого этапа проектирования должен использоваться свой ППП. Необходимо, чтобы в пределах каждого ППП использовались единые правила для описания исходных данных. ППП должны иметь в своем составе программы, позволяющие решать такие задачи, как:

1) структурный синтез (логической и электрической схем, топологии и компонентов);

2) составление математической модели (логической и электрической схем, топологии и компонентов);

3) решение математической модели (логической и электрической схем, топологии и компонентов);

4) оптимизация (числа логических элементов БИС, физической структуры и геометрических размеров компонентов, параметров пассивных и активных компонентов электрической схемы, числа пересечений межкомпонентных соединений в топологической схеме);

5) статистический анализ (компонентов, логической, электрической и топологической схем). Структура прикладного программного обеспечения (ППО) представлена на рисунке.

Лингвистическое обеспечение содержит совокупность языков: алгоритмические языки высокого уровня (С, АДА, C++ и др.); входные языки (VHDL, Verilog, SystemC); языки СУБД (системы управления базой данных); выходные языки. Алгоритмические языки используют для написания текстов прикладных и системных программ. Входные языки должны обеспечивать описание задания на проектирование и обычно включают: язык описания объектов проектирования, язык описания проектных процедур и операций, язык описания процессов проектирования. Языки СУБД содержат средства редактирования данных и эксплуатации баз данных: оперативной базы данных; базы данных проектов; инвариантной базы данных. Выходные языки проектирования обеспечивают вывод результатов проектирования в соответствии с действующими стандартами и другими нормативными материалами на все виды документации и совместимость выходной информации САПР с программно-управляемым контрольно-измерительным и технологическим оборудованием, применяемым при изготовлении и контроле БИС.

Маршруты проектирования БИС.

Под маршрутом проектирования БИС понимается последовательность проектных процедур, которые необходимо выполнить при разработке конкретной схемы, начиная от технического задания и кончая получением информации для программно-управляемого технологического и измерительного оборудования, предназначенного для изготовления фотошаблонов или непосредственно БИС на пластине и контроля параметров готовых БИС. К проектированию БИС с помощью САПР можно ввести понятие маршрута проектирования БИС, под которым будем понимать любой согласованный между собой набор программ из ППП для различных этапов, обеспечивающий проектирование данной конкретной схемы по всему циклу, — от получения технического задания на схему до изготовления промежуточных или рабочих фотошаблонов. В зависимости от особенностей конкретных БИС понятие маршрута проектирования может быть введено и для набора программ в пределах одного ППП. Маршрут проектирования определяет разработчик БИС.

Разнообразие технических требований к БИС, технологических процессов их изготовления, методик проектирования привело к большому разнообразию маршрутов проектирования БИС. Рассмотрим некоторые из них.

Проектирование полузаказных БИС

В целом проектирование полузаказных БИС зависит от возможностей заказчика и изготовителя БИС. Наибольшее распространение получила концепция базового матричного кристалла (БМК), когда при разработке БИС используется специальная заготовка — базовый кристалл (БК), представляющий собой матрицу ячеек нескоммутированных транзисторов или базовых логических и аналоговых элементов. При матричном методе сначала создается базовый матричный кристалл (БМК) в виде матриц из N строк и М столбцов (N и М — числа в диапазоне 5. 10 3 ) ЛЭ и более сложных структур. На каждом наборе реализуется серия библиотечных элементов, которая проходит полную аттестацию по всем параметрам (электрическим, конструкторским и т. д.), и затем проектируется логическая схема БИС в базисе библиотечных элементов. Для реализации проекта необходимо разработать индивидуальную систему межсоединений этих транзисторов, т. е. достаточно спроектировать и изготовить только фотошаблоны для переменных слоев коммутации. Изготовленную, таким образом, полузаказную БИС называют матричной (МаБИС). Маршрут проектирования МаБИС приведен на рисунке:

Маршрут проектирования матричных БИС состоит из четырех основных этапов: 1) разработка принципиальной логической (электрической) схемы МаБИС; 2) разработка топологии переменных слоев МаБИС; 3) контроль проекта МаБИС; 4) разработка технической документации — программ тестовой проверки работоспособности МаБИС и управляющих программ для изготовления фотошаблонов.

Разработка принципиальной электрической схемы осуществляется с помощью подсистемы функционально-логического моделирования. Разработчик сначала рисует эскиз принципиальной логической (электрической) схемы, затем описывает ее на входном языке. Описание, информация о воздействиях, при которых должно осуществляться моделирование, описание внешних выводов МаБИС, контрольных точек являются заданием для моделирования БИС на ЭВМ. Разработчик контролирует правильность функционирования проекта по временным диаграммам в контрольных точках. При обнаружении ошибок проводится доработка схемы и исправление текста описания. Этап функционально-логического моделирования завершается, когда при всех входных воздействиях на выходах схемы получаются требуемые сигналы (реакции на воздействия). Таким образом, смоделированный текст описания схемы становится эталонным, а система воздействий и реакций — исходной информацией для программ топологического проектирования. Этап разработки топологии может быть реализован тремя способами — путем традиционного проектирования с последующей машинной обработкой, автоматизированного проектирования с последующей доразводкой и путем автоматического синтеза. При традиционном проектировании инженер в соответствии с чертежом электрической схемы разрабатывает эскиз топологии МаБИС. Затем эскиз кодируется, информация обрабатывается и передается на этап контроля. Параллельно с проведением контроля на графопостроителе получают прорисовку топологии МаБИС. Список ошибок, получаемых на этапе контроля, локализуют на прорисовке, определяют пути их исправления и проводят коррекцию проекта с помощью графических средств. Процесс коррекции и контроля продолжается итерационно до исправления всех ошибок. В настоящее время этот метод не используется.

При автоматизированном проектировании или автоматическом синтезе переменных слоев топологии МаБИС исходной информацией является эталонный текст описания принципиальной электрической схемы. В первом случае проектировщик может вмешиваться в процесс размещения элементов на поле базового кристалла, а трассировка осуществляется автоматически. Если некоторое число связей оказалось неразведенным, то необходимо либо изменить вручную размещение элементов и повторить процедуру трассировки, либо передать информацию о топологии на доразводку, которая проводится с помощью графических средств. При автоматическом синтезе достигается полная реализация топологии проекта в автоматическом режиме и поэтому отпадает необходимость в контроле. Процесс можно реализовать при том же информационном обеспечении, что и логическое моделирование и появляется возможность аттестовать работоспособность проекта МаБИС с учетом его топологии. Для этого с помощью специальной программы-экстрактора по топологии восстанавливается электрическая схема МаБИС с учетом RС-структур, моделирующих межсоединения. Эти структуры преобразуются в элементы задержки, которыми доопределяется исходная электрическая схема. Затем при тех же воздействиях проводится повторное моделирование схемы. Таким образом, удается аттестовать работоспособность проекта МаБИС до этапа изготовления. Выбор маршрута топологического проектирования определяется числом элементов и числом выводов элементов. Критерием оценки качества полученной топологии является критерий максимума плотности заполнения базового кристалла, равный отношению числа элементов МаБИС к числу ячеек (посадочных мест) кристалла. Основное достоинство метода состоит в высокой скорости проектирования благодаря минимизации числа фотошаблонов, необходимых для реализации заданной функции БИС (по существу, нужны лишь шаблоны металлизации для проведения внутрисхемных соединений).

5. Топологический этап

5.1 Топологическое проектирование

Топология — это аналог электрической схемы в виде набора геометрических образов слоев кристалла.

Соединения между элементами выполняются в соответствии с принципиальной электрической схемой. Они реализуются в виде метализированных дорожек. Чтобы избежать пересечения металлических дорожек, соединения выполняют в различных слоях топологии. Количество слоев зависит от технологии изготовления ИС. Некоторые размеры топологии (например, размеры эмиттерной области) определяют ее электрические свойства, другие (расстояние между фигурами одного слоя или допуска на совмещение фигур разных слоев) должны удовлетворять конструкторско-технологическим ограничениям (КТО).

Разработка топологии ИС заключается в решении ряда взаимосвязанных задач:

относительного взаимного размещения компонентов с минимальным числом пересечений;

размещения компонентов в системе координат на кристалле с учетом схемотехнических, технологических и нормативных ограничений;

трассировки (проведения внутрисхемных соединений);

подготовки информации для изготовления фотошаблонов.

Источник