Метод коррекции временных задержек на элементах топологии

Полученные результаты моделирования показывают, что:

1) эффективность скользящего резервирования по отношению к общему и поэлементному экспоненциально уменьшается с увеличением кратности резервирования вследствие влияния устройств управления на надежность системы (см. рис. 3, 5):

2) отношение площадей системы при различных методах резервирования не зависит от кратности резервирования и возрастает с увеличением числа рабочих элементов системы (см. рис. 2, 4. 6):

3) при равных заданных значениях вероятности безотказной работы (для реальных систем Р > 0.9) площадь резервированной системы определяется числом рабочих элементов, методом резервирования и отношением площади КП У У и площади элемента (см. рис. 10. П), причем общее резервирование наиболее эффективно при мачом числе рабочих элементов (менее 20) и сравнительно больших отношениях площадей КП УУ и элементов (более 0.4), скользяшее резервирование

- при малых отношениях площадей КП УУ и элементов (менее 0.05). поэлементное

- для всех прочих сочетаний указанных параметров.

Таким образом, применительно к реальным микросистемам, которые характеризуются большим числом рабочих элементов (10* и более) и малым отношением площадей КП УУ и элементов (менее 0.05), наиболее эффективным является скользящее резервирование (см. рис. 10, 11). Общее резервирование следует применять для систем, содержащих малое число элементов при сравнительно больших относительных значениях площадей УУ (см. рис. 11). На практике подобные системы встречаются редко или требуемый уровень их надежности обеспечивается без структурного резервирования. Поэлементное резервирование, в отличие от скользящего и общего, удовлетворяет наиболее широкому Кру1-у систем (см. рис. П): печатные модули, системные блоки, микросистемы определенного вида (характеризующиеся сравнительно большим числом рабочих элементов в сочетании с большими относительными значениями площадей УУ) и т.д.

ЛИТЕРАТУРА

1. Фролов А.Д. Теоретические основы конструирования и надежности радиоэлектронной аппаратуры. М.: Высшая школа, 1970. 488 с.

2. Коноплев Б.Г. Реализация многопроцессорных систем на основе суперкристаллов и СБИС пластин // Микроэлектроника. 1988. Т.17. Вып.5. С. 432 -438.

УДК 621.328.81

А.Н. Волков, М.В. Руфицкин

МЕТОД КОРРЕКЦИИ ВРЕМЕННЫХ ЗАДЕРЖЕК НА ЭЛЕМЕНТАХ

ТОПОЛОГИИ

Владимирский государственный университет,

600026, г. Владимир, ул. Горького, 87, ВлГУ, кафедра КТ РЭС, тел.: (0922) 279871, (0922) 279979, e-mail: ktrs-m2@vpti.vladimir.su

В настоящее время радиоэлектронные средства достигли такого уровня развития, при котором становится все труднее добиваться оптимальных результатов разработок при использовании традиционной элементной базы и методов проектирования. Резервы совершенствования технологий практически исчерпаны: лю-

бые улучшения достигаются более дорогой ценой. Поэтому одним из направлений дальнейшего развития электронной техники является широкое применение специализированных БИС и совершенствование систем автоматизированного проектирования.

Специализированные БИС позволяют выполнять функции, которые не реализуются в стандартных ИС, улучшать характеристики схем, снижать габариты, массу, мощность, повышать надежность. Существует несколько основных направлений развития полузаказных БИС [2]. Наибольшее развитие в последние годы получила технология ПЛИС (Программируемые Логические Интегральные Схемы) [2], поскольку благодаря архитектурным и технологическим особенностям ПЛИС, устройства на их базе могут быть разработаны и изготовлены без специализированного технологического оборудования. Кроме того, ПЛИС имеют самую низкую себестоимость при мелкосерийном и единичном производстве [1, 3]. ПЛИС подразделяются на CPLD (complex programmable logic devices) и FPGA (field-programmable gate arrays) (рис.1).

Архитектуры СРЬР и РРйА имеют существешые отличия в организации структуры межсоединений кристаллов. С этой точки зрения. КРСА имеют плоскую (одноуровневую) структуру, а СРЬО - многоуровневую (иерархическую) структуру межсоединений. Сплошные соединения СРЬО состоятиз металлических проводников одинаковой длины, поэтому сопротивление и емкость всех межсоединений фиксированные, а задержка между любыми двумя логическими ячейками схемы - предсказуема. Сегментированные соединения РРвА состоят из матрицы металлических сегментов, идущих через всю схему. Количество необходимых сегментов для соединения непредсказуемо; задержки не могут быть оценены до завершения размещения и трассировки. Структурная организация ПЛИС определяет особенности построения матрицы (или матриц) соединения и её основные характеристики (рис.2). Наиболее эффективным способом выполнения соединения функциональных преобразователей, обеспечивающим минимальную и хорошо предсказуемую задержку распространения сигнала, является использование выделенного для каждого соединения непрерывного канала.

В многоуровневых ПЛИС число функциональных преобразователей обычно невелико и расположены они компактно, поэтому локальные матрицы соединений являются непрерывными, т.е. содержат непрерывные каналы, обеспечивающие соединение функциональных преобразователей в рамках логического блока.

Буферы

ввода/вывода

Логические блоки

Рис.]. Архитектура FPGA

CPLD

FPGA

1аШ иш

Г   :   ^

Мша

/ ' [cl П

/ /

щпт

-  -- я

цп т

Фиксяров;шная/предсказуемая

задержку

Рис. 2, Схема разводки CPLD и FPOA

Переменная/непредсказуемая задержка

Однако, для одноуровневых ПЛИС, в которых необходимо обеспечить возможность соединения между собой до нескольких тысяч простейших функциональных преобразователей, подобный подход неэффективен, так как требует слишком большого числа проходящих через всю СБИС каналов, многие из которых будут соединять только соседние функциональные преобразователи. В одноуровневых СБИС используют сегментированные матрицы соединений, состоящие из множества коротких горизонтальных и вертикальных отрезков, связанных узлами коммутации. Недостатками такого подхода являются увеличение задержки распространения сигнала, что обусловлено наличием узлов коммутации, а также непредсказуемость задержки и её зависимость от выбранной трассы соединения. Следовательно, FPGA обладают существенным конструктивным недостатком -сегментированной матрицей соединений, компенсировать который изменением конструктива кристалла в настоящее время невозможно. Данная проблема может быть решена путем разработки метода учета задержек в сегментированных соединениях в процессе проектирования топологии кристалла.

Традиционная методика проектирования, реализованная в САПР ведущих ф и р м * п р от водит елей ПЛИС (Altera, Xilinx, Mach, Lattice и др.) состоит из следующих этапов: входное описание проекта, выделение списка цепей, логический синтез, размещение и трассировка, моделирование, программирование кристалла. Недостатком данного подхода является то, что временные характеристики проекта учитываются на заключительной стадии проектирования (при моделировании).

Особенностью традиционной методики является то, что каждый этап проектирования вносит в проект свои погрешности. На этапе синтеза входное описание преобразуется в двухуровневый базис элементов И/ИЛИ, соответственно изменяются временные характеристики схемы. Размещение и трассировка также производятся без учета временных характеристик, в результате полученные характеристики кристалла, как правило, не соответствуют исходным, что приводит к сложному процессу корректировки. Для исключения данного недостатка было предложено использовать при проектировании ПЛИС с одноуровневой структурой метод коррекции временных задержек (КВЗ) на элементах топологии, позволяющий в отличии от традиционной методики проектирования ПЛИС: проводить параллельную оптимизацию структуры ПЛИС; повысить надежность разработанной ПЛИС; снизить трудоемкость разработки и время всего цикла проектирования.

Рассмотрим предпосылки, позволяющие осуществить коррекцию времен-

ных задержек на элементах топологии. Под коррекцией временных задержек в данной работе понимается процесс реализации соединений на кристалле с учетом временных характеристик (а также временных соотношений) цепей, рассчитанных специальной процедурой временного анализа. Цикл проектирования заканчивается при реализации всех соединений на кристалле с временными характеристиками, соответствующими рассчитанным ранее.

Прежде, чем перейти к рассмотрению метода КВЗ, отметим, что основным его отличием от традиционной методики проектирования ПЛИС является сквозной учет временных параметров кристалла на каждом этапе разработки. В этом случае в результате проектирования получается заведомо работоспособное устройство, не содержащее в своей структуре “подводных камней”, способных оказать негативное влияние в произвольный момент времени работы устройства. Проект, разработанный по методу КВЗ не требует многочисленных переделок и доработок, так как успешное окончание цикла проектирования гарантирует соответствие заданным временным ограничениям.

Перейдем к более детальному рассмотрению метода. Математической моделью метода является гиперграф. Следовательно, и кристалл ПЛИС, и разрабатываемое цифровое устройство (ЦУ) должны быть представлены в виде гиперграфа. Использование метода КВЗ подразумевает наличие библиотеки графовых моделей кристаллов ПЛИС. Вершинами такого графа являются функциональные преобразователи (ФП), а ребрами - возможные соединения между ними. В общем случае гиперграф кристалла ПЛИС должен содержать все возможные соединения между ФП. Сделаем допушеше. что все вершины гиперграфа могут соединяться между собой не более, чем одним ребром (данное допущение справедливо для многих архитектур РРОА) и проведем опенку сложности предлагаемой модели с помощью выражения:

Б - N *

где Б - количество ребер гиперграфа, N - количество вершин гиперграфа. Каждому ребру гиперграфа должна соответствовать реальная временная задержка прохождения сигнала между соответствующими ФП кристалла. Из выражения (1) следует, что количество возможных ребер (межсоединений) гиперграфа увеличивается экспоненциально с ростом количества вершин (ФП): так, при четырех вершинах гиперграф имеет 6 ребер, при семи - 21 ребро, при девяти вершинах - уже 36 ребер. Следовательно, можно сделать вывод, что использование метода с точки зрения временных затрат на проектирование целесообразно при разработке ЦУ на кристаллах РРОА низкой и средней степени интеграции. Рассмотрим поэтапно процесс проектирования с помощью предлагаемого метода (рис.З).

В начале проектирования осуществляется формализация исходного задания одним из методов описания, а также задаются входные воздействия, необходимые для временного анализа проекта. Затем выполняется процедура логического синтеза, которая осуществляет преобразование исходного описания в набор булевых уравнений и их минимизацию.

Далее производится временной расчет схемы (в виде булевых уравнений) и проект представляется в виде гиперграфа. Полученный гиперграф имеет значительно меньшую структурную избыточность по сравнению с гиперграфом исходного кристалла РРОА. После получения гиперграфа проекта, процесс переходит к реализации (синтезу) логики в ресурсах заданной архитектуры ПЛИС, представленной исходным гиперграфом. Существенным отличием данного метода от традиционных подходов к проектированию ПЛИС является совмещение критериально разобщенных этапов разработки (логический синтез, разбиение, размещение, трассировка) в одном - имеющем единый критерий - соответствие временных ха-

Мв

рактеристик проекта временным характеристикам, заданным гиперграфом кристалла. Таким образом, в процессе синтеза, система, основанная на методе КВЗ производит покрытие исходного графа кристалла ГРОА графом разрабатываемого ЦУ. Следовательно, такие традиционные задачи процесса проектирования РРОА, как разбиение, размещение, трассировка при использовании метода КВЗ вырождаются в задачу покрытия. Основными критериями при решении задачи покрытия являются: минимум числа ФП. необходимых для реализации проекта, минимум числа соединений в проекте и др. Далее задача решается известными алгоритмическими методами [6].

Рис. 3. Маршрут проектирования РРОА с помощью метода КВЗ

В заключение следует отметить, что метод был опробирован на ряде практических примеров и показал результаты, лучшие по ряду параметров по сравнению с традиционным подходом к проектированию РРОА.

1. Баранов С.И., Скляров В.А. “Цифровые устройства на программируемых БИС с матричной структурой”.-М: Радио и связь, 1986.-272с.

2. Антонов А. П.. Мелехин В.Ф., Филиппов А.С. “Обзор элементной базы фирмы Altera".-С.-Петербург. 1997,-142с.

3. Data Book. - Altera Corporation, 1996.

Исходное Выделение Построеиша База описание цепей ба зы дгч«ых

-Фунщтняпъмое

мо&ътрсз&нт

Набор !

буяееы х у ра a wen йй |

Временной

...

Соз$Ш№

anm.

Имглиментзцкя [ i

Размещение | 4

уде t»ef ' о

гцмздаа рмтальным

установи. сбэоса

ЛИТЕРАТУРА

4. The Programmable Logic Data Book. - Xilinx Inc., 1996.

5. Configurable Logic Data Book.- Atmel Corporation. 1997.

6. Ьадулин C.C., Барнаулов ЮМ. Автоматизированное проектирование цифровых устройств.- М: Радио и связь, 1981 .-235с.

УДК 621.3.049.77.001.66

Е.А. Рынд и н, И. В. Куликова

АЛГОРИТМ ФИЗИКО-ТОПОЛОГИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПТШ

Таганрогский государственный радиотехнический университет,

34792S, г. Таганрог, ГСП-174, пер.Некрасовский, 44, тел.: (86344) 61 767, e-mail: feptwtsure.ru

Степень интеграции, быстродействие, надежность СБИС во многом определяются эффективностью методов, алгоритмов и программ математического моделирования. Переход к субмикронным размерам интегральных полупроводниковых структур привел к значительному повышению роли двумерного физикотопологического моделирования, позволяющего учесть многие особенности функционирования короткоканальных приборов. При этом численное моделирование остается достаточно сложной задачей, требующей значительных затрат времени и ресурсов оперативной памяти ЭВМ.

Предлагается алгоритм численного решения фундаментальной системы уравнений полупроводника в базисе “потенциал - экспоненты квазиуровней Ферми”, сочетающий достоинства итерационной схемы Гуммеля, метода Ньютона -Рафсона и метода продолжения решения по параметру.

1°. Вводятся исходные данные для моделирования (геометрические размеры полупроводниковой структуры, профиль концентрации легирующих примесей, величины шагов координатной сетки, требуемая точность решения и др.).

2°. Задается начальное приближение распределения потенциала по координатам, а также начальные значения напряжений на внешних контактах структуры.

3°. Методом Ньютона - Рафсона решаются уравнения непрерывности (для одного или двух типов свободных носителей заряда). Результатом являются распределения концентраций свободных носителей.

4°. Для полученных распределений концентраций электронов и (или) дырок решается уравнение Пуассона также методом Ньютона - Рафсона. Результатом является новое распределение потенциала.

5°. Производится проверка точности полученного решения. Если погрешность не превышает допустимого значения, осуществляется переход к п. 6°, иначе

- переход к п. 3е.

6°. Осуществляется приращение напряжений на внешних контактах и, если не достигнуты предельные значения напряжений, переход к п. 3°. Иначе - переход

. -т0

к п. 7 .

7°. Вывод результатов моделирования.

Таким образом, в рамках итерационной схемы Гуммеля подсистемы уравнений непрерывности и Пуассона решаются методом Ньютона - Рафсона. При этом для каждого сочетания напряжений на внешних контактах проблема начального приближения решается при помощи метода продолжения по параметру.