книги / Основы построения САПР и АСТПП

ный вариант оценивается с позиций удовлетворения требованиям ТЗ (блоки 2...5). Для оценки каждого варианта структуры: со­ ставляется математическая модель (ММ) объекта проектирова­ ния (аналитические формулы или системы уравнений), связыва­ ющая выходные параметры с внутренними и внешними (блок 2); вводятся исходные значения внутренних и внешних параметров (блок 5); решается (анализируется) ММ (блок 4); сравниваются (блок 5) рассчитанные выходные параметры (блок 4) с выход­ ными параметрами из ТЗ; принимается решение о дальнейших действиях. Блоки 1...5 составляют ветвь детерминированного про­ ектирования (расчет на номинальные значения). Если требова­ ния ТЗ к выходным параметрам удовлетворены, переходят к ста­ тической ветви проектирования (блоки 6, 7). Если требования не удовлетворены, то проводят параметрическую оптимизацию (блок 8)', т. е. изменяют параметры согласно различным критериям либо выбирают другую структуру объекта проектирования (блок 9), либо изменяют требования ТЗ к выходным параметрам объекта проектирования (блок/0). Причем последнее крайне нежелатель­ но, так как требуется согласование с разработчиком ТЗ, а разре­ шение можно и не получить. После того как расчет на номиналь­ ные значения дал положительные результаты, проводят статисти­ ческий анализ (блок 6) и оптимизацию (блок 8) с целью макси­ мизации процента выхода годных изделий при их производстве за счет учета реальных статистических распределений парамет­ ров материалов и параметров, характеризующих технологический процесс. На статистической ветви схемы процесса проектирова­ ния также имеются три петли обратной связи. В случае положи­ тельного результата расчетов оформляется техническая докумен­ тация (блок И) для следующего этапа проектирования (если данный этап не последний) либо подготавливается информация на машинных носителях для технологического контрольно-изме­ рительного оборудования при -изготовлении и контроле выходных параметров ИЭТ.

Рассмотрим возможности использования ЭВМ в процессе про­ ектирования [на примере ИС (БИС)].

Н а п е р в о м э т а п е п р о е к т и р о в а н и я определяется функциональный состав серии ИС, необходимый для разработки определенного класса радиоэлектронной аппаратуры, устанавли­ ваются технические требования к каждой схеме данной серии. Этот этап заканчивается составлением и согласованием ТЗ на разработку серии ИС; при этом основная задача разработчика заключается в том, чтобы установить реальную техническую воз*

31

можность выполнения работы на имеющихся в распоряжении ма­ териалах и оборудовании; разработчик руководствуется собст­ венным опытом. Определенную помощь может оказать система каталогов разработанных схем с быстрой выборкой с помощью ЭВМ необходимых сведений о каждой схеме. Однако требуются значительные материальные затраты для • создания автоматизи­ рованной информационно-поисковой системы.

Н а в т о р о м э т а п е п р о е к т и р о в а н и я решаются во­ просы логического проектирования сложных ИС (БИС): логиче­ ское моделирование, синтез тестов, логический синтез. Первую из указанных задач можно алгоритмизировать и реализовать в виде программ анализа комбинационных и последовательност­ ных схем на уровне вентилей, регистров и блоков с учетом и без учета времени задержки вентилей с целью проверки проекта ло­ гического устройства перед его реализацией. Вторую задачу дан­ ного этапа можно формализовать путем создания алгоритмов и программ синтеза тестов для контроля и диагностики БИС в про­ цессе разработки и отработки технологии, а также программ син­ теза тестов для контроля БИС в корпусах при их серийном изго­ товлении. Это позволит проводить исследования по сбору и обра­ ботке статистической информации о параметрических и логиче­ ских неисправностях в БИС, связанных с разработкой (логиче­ ские, схемотехнические и топологические ошибки), а также ме­ тодик по их контролю; синтезу диагностических тестов на этапе разработки; синтезу контролирующих тестов для БИС в корпу­ сах. Задача логического синтеза в общем случае не решена в алгоритмическом плане.

Для отдельных видов комбинационных схем (например, про­ граммируемых логических матриц) задача решена математи­ чески. В системах автоматизированного проектирования типа «кремниевый компилятор» задача логического синтеза решается

ется задача синтеза принципиальной электрической схемы. Эту задачу понимают так: получение совокупности технических дан­ ных, полностью описывающих электрическую конфигурацию оп­ тимальной с точки зрения удовлетворения требованиям ТЗ схе­ мы. При современном состоянии работ по теории синтеза нели­ нейных схем трудно рассчитывать на постановку и решение в ближайшие годы полной задачи синтеза активных нелинейных схем на ЭВМ. Тем не менее применение ЭВМ на данном этапе проектирования ИС может дать значительные экономические вы­ годы. Покажем это, проследив за установившейся в настоящее время последовательностью работ при расчете ИС. В качестве исходных данных обычно используются: техническое задание, в котором сама ИС определена выполняемой функцией и требова*

32

ниями к ее параметрам; параметры имеющихся активных компо­ нентов.

Обычно выбирается несколько принципиальных электриче­ ских схем и выводятся аналитические соотношения, связывающие параметры схемы с параметрами компонентов. После этого, счи­ тая параметры активных компонентов известными, обобщенным методом граничных испытаний определяются значения пассивных компонентов. Опыт показывает, что это наиболее длительный и трудоемкий процесс из всех перечисленных. Рассмотренную по­ следовательность работ можно производить с помощью ЭВМ. Действительно, разработанные электрические схемы могут хра­ ниться в памяти ЭВМ, а с помощью экспертной системы выбира­ ется необходимая схема. При необходимости идею создания принципиально новой электрической схемы выдвигает проекти­ ровщик. Получить соотношения, связывающие параметры схемы с параметрами компонентов, выбрать из нескольких схем одну, наилучшим образом удовлетвряющую требованиям ТЗ, и оптими­ зировать (по заданному критерию) значения параметров компо­ нентов в пределах конкретной схемы можно с помощью ЭВМ. Решение последней задачи сводится к решению задачи матема­

велика: наряду с экономией времени на разработку ИС достаточ­ но полно (в смысле получения экстремальных значений парамет­ ров ИС) используются возможности технологического процесса изготовления.

ЭВМ эффективно используется для анализа ИС. С помощью ЭВМ можно провести статистический анализ схемы, оценить вли­

ИС. Имеется большое число отечественных и зарубежных про­ грамм анализа схем с помощью ЭВМ. Не все из них удовлетво­ ряют требованиям, которые предъявляются к универсальной программе анализа схем:

—наличие простого входного языка для описания конфигу­ рации электрической схемы, типов компонентов и их числовых значений, чтобы можно было быстро подготовить входную ин­ формацию;

—наличие достаточно широкого набора моделей разнообраз­ ных компонентов;

—возможность автоматического изменения параметров для проведения расчетов, связанных с исследованием чувствительно­ сти, допусков и работы в наихудших условиях;

—возможность предусматривать операции по контролю оши­

бок.

Применение ЭВМ на этапе анализа дает большой экономиче­ ский эффект и позволяет разрабатывать ИС, которые без ЭВМ невозможно было бы разработать.

При выборе системы измеряемых параметров и определения их браковочных норм применение ЭВМ позволяет решить ряд важных задач. Выбор системы измеряемых параметров трудно поддается алгоритмизации и-его в настоящее время нельзя реа­ лизовать на ЭВМ. С помощью ЭВМ можно определить гранич­ ные значения измеряемых параметров, соответствующих макси­ мальному проценту выхода годных схем (с точки зрения удовле­ творения требований ТЗ к выходным параметрам ИС). Кроме того, применение ЭВМ при статистической обработке информа­ ции об измеряемых параметрах, поступающей непосредственно

фективно применяется для разработки топологии ИС и решения задачи оптимального (с точки зрения площади или других кри­ териев) расположения компонентов на кристалле, оптимального (с точки зрения суммарной длины проводников или других кри­ териев) соединения компонентов в схему и создания конструк­ торской документации для изготовления фотошаблонов. Пер­ вую из указанных задач можно решать при работе в режиме взаимодействия человека и машины, остальные — полностью на ЭВМ. Применение ЭВМ на этапе разработки топологии дает значительный экономический эффект по двум причинам: 1) раз­ работка топологии — это очень трудоемкий процесс; 2) возмож­ но получение безошибочных проектов.

На п я т о м э т а п е п р о е к т и р о в а н и я ИС выбирается физическая структура и определяются параметры активных ком­ понентов. Так как электрические параметры активных компонен­ тов нужны для синтеза и анализа ИС, то основная задача состо­ ит в опреяелениии тех параметров, которые описывают модели активных компонентов, применяемые для синтеза и анализа электрических схем ИС. Кроме статистических характеристик параметров компонентов для дальнейшего повышения точности расчетов ИС необходимо определять степень и характер корре­ ляционных связей между параметрами всех компонентов интег­ ральной полупроводниковой схемы.

Обычно при расчете электрических параметров активных ком­ понентов используются формульные зависимости параметров активных компонентов от параметров физической структуры и геометрических конфигураций активных компонентов. Определе­ ние оптимальных (по заданному критерию) значений параметров физической структуры и геометрических конфигураций активных компонентов относится к числу наиболее трудоемких задач син­ тез активных компонентов, решение которых без применения

34

ЭВМ невозможно. Решение этих задач синтеза активных компо­ нентов сводится к решению задач нелинейного программирова­ ния.

Широкое применение при выполнении работ по рассматривае­ мому этапу могут найти методы математической статистики. За­ дачи, решаемые этими методами: 1) статистическая обработка результатов измерений параметров физической структуры ИС, которые являются исходными данными при расчете активных компонентов; 2) статистический анализ параметров компонен­ тов; 3) определение корреляционных связей между параметра­ ми компонентов; 4) статистическая обработка результатов изме­ рений параметров активных компонентов.

Широкое применение методов математической статистики для решения указанных задач возможно только с помощью ЭВМ. Кроме того, ЭВМ можно успешно использовать для решения мно­ гочисленных задач, возникающих при разработке активных ком­ понентов и их математических моделей. Таким образом, примене­ ние ЭВМ на данном этапе может принести существенную по­ мощь, так как позволит быстро вычислить оптимальные параметры активных компонентов разнообразных геометриче­ ских конфигураций при различных диффузионных профилях.

§1.6. КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ УСКОРЕНИЯ ПРОЦЕССА ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Существует два подхода к ускорению процесса проектирова­ ния ИЭТ и РЭА:

1) применение ЭВМ на всех этапах, проектирования для су­ ществующих конструктивно-технологических методов изготовле­

По способу изготовления все БИС можно разбить на заказ­ ные и полузаказные.

35

Заказные БИС проектируются следующими методами: пол­ ностью вручную; методом функционально-интегрированных яче­ ек и блоков; кремниевым компилированием.

Исходные данные для проектирования — техническое зада­ ние; выходные данные — информация на магнитных носителях для микрофотонаборной установки (МФНУ) или электронно­ лучевой установки (ЭЛУ) и контрольно-измерительного обору­ дования (КИО).

Наибольшее распространение для полузаказных БИС полу­ чил метод стандартных ячеек (элементов) и блоков.

Суть метода стандартных ячеек и блоков заключается в на­ коплении, систематизации и применении при проектировании БИС конструкций, заранее разработанных и изготовленных ком­ понентов (сопротивлений, транзисторов и других радиокомпонен­ тов), логических элементов, триггеров, регистров, функциональ­ ных блоков оперативных запоминающих устройств (ОЗУ), арифметическо-логических устройств (АЛУ), постоянных запо­ минающих устройств (ПЗУ), программируемых ПЗУ (ППЗУ) и т. д., информация о которых хранится в памяти ЭВМ. Среди хранимой информации отметим: размеры стандартных конструк­ ций, компонентов, элементов и блоков; параметры физической структуры; выходные электрические параметры логических эле­ ментов и блоков и т. д. Этот метод в основном применяется при разработке нерегулярных ИС средней степени интеграции (СИС) и стандартных БИС: ОЗУ, АЛУ, ПЗУ и т. д. Он может использо­ ваться для разработки нерегулярных БИС, характеризующихся большой степенью применения унифицированных ячеек и блоков.

Суть матричного метода состоит в следующем:

—создается базовый матричный кристалл (БМК) в виде мат­ риц из п строк и т столбцов (п и m — числа в диапазоне 5...103) наборов радиокомпонентов, логических элементов и других бо­ лее сложных структур;

—на каждом наборе реализуется серия библиотечных эле­ ментов, которая проходит полную аттестацию по всем парамет­ рам (электрическим, конструкторским и т. д.);

—проектируется логическая схема БИС в базисе библиотеч­

ных элементов.

Основное достоинство метода — высокая скорость проектиро­ вания (1...3 недели) за счет минимизации числа фотошаблонов, необходимых для реализации заданной функции БИС (по суще­ ству, нужны лишь шаблоны металлизации для проведения внут­ рисхемных соединений).

При проектировании заказных БИС, если технология считает­ ся известной и библиотека компонентов, изготовленных по дан­ ной технологии с их электрическими и геометрическими парамет­ рами, также считается известной, последовательность работ вы­ глядит таким образом:

36

Глава 2

ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ САПР ИЭТ И РЭА

Технические требования, предъявляемые к сложному ра­ диоэлектронному оборудованию, непрерывно повышаются, особенно по надежности, габаритам, массе и стоимости. Необ­ ходимость удерживать сложные радиоэлектронные системы в пределах разумных физических размеров привела к идее ми­ ниатюризации электронных компонентов. Промышленная ра­ диоэлектроника в стремлении к миниатюризации прошла большой путь от простых форм монтажа, постепенно умень­ шающихся по габаритам компонентов на шасси, к компонен­

радиоэлектронного оборудования на микроминиатюрное ис­ полнение.

Номенклатура ИЭТ и РЭА чрезвычайно широка: дискрет­ ные электрорадиоэлементы (сопротивления, конденсаторы, трансформаторы, диоды, транзисторы, тиристоры и т. д.), гиб­ ридные и интегральные полупроводниковые микросхемы (ма­ лой, средней, большой и сверхбольшой степени интеграции), микропроцессорные наборы, микро- и мини-ЭВМ, цифровая и аналоговая аппаратура. Разнообразие конструктивно-техно­ логических методов изготовления и методологий проектирова­ ния ИЭТ и РЭА обусловило соответствующее разнообразие САПР.

$ 2.1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ЗАДАЧИ СОЗДАНИЯ САПР

Разработка САПР ИЭТ и РЭА направлена на решение следующих задач: минимизации длительности проектирова­ ния, обеспечения проектирования изделий высокой сложности (106... 107) элементов на систему, повышения качества проек­ тирования (главным образом безошибочности).

Сокращение длительности проектирования обусловливается возможностью решения наиболее трудоемких задач с исполь­ зованием средств вычислительной техники, библиотек компо­

38

нентов, характеризующих базовый технологический процесс, стандартизации программ и т. д. Эффективность сокращения длительности проектирования выражается в ускорении науч­ но-технического прогресса взаимосвязанных отраслей и полу­ чении экономии от внедрения микроэлектронной радиоаппа­ ратуры ранее намеченных сроков.

Проектирование изделий высокой сложности без примене­ ния ЭВМ практически невозможно из-за длительных сроков проектирования и сложности исключения ошибок в проектной документации. Многофункциональность ИС высокой степени интеграции позволяет уменьшить затраты на сборку ЭВМ и эксплуатационные затраты на разработанную РЭА.

При проектировании без применения ЭВМ, например ИС, точность расчета электрических параметров невелика и при­ ходится делать 3...4 технологические «прогонки» (для изго­ товления опытных образцов) по технологическому процессу изготовления с последующей коррекцией электрической (либо топологической) схемы. Число «прогонок» обусловлено ис­ правлением ошибок, допущенных проектировщиком, или оши­ бок, возникших при разработке конструкторской документа­ ции и фотошаблонов. Проектирование с помощью ЭВМ сводит к минимуму количество технологических «прогонок», а иногда полностью их исключает.

Увеличение удельной плотности элементов в сложных ра­ диоэлектронных системах обеспечивается постоянно растущей прецизионностью технологического оборудования, предназна­ ченного для изготовления ИЭТ и РЭА.

Машинные методы проектирования ИЭТ и РЭА развива­ лись в направлении создания отдельных программ для реше­ ния различных задач проектирования в режиме пакетной об­ работки на универсальных ЭВМ. По мере увеличения слож­ ности программ, необходимых для проектирования ИЭТ и РЭА, универсальные ЭВМ все меньше удовлетворяют проек­ тировщиков по организации вычислительного процесса. Дей­ ствительно, пробивка исходных данных и программ на пер­ фокарты (или перфоленты), многократные выходы на ЭВМ для отладки программ и исправления ошибок, ввод и вывод больших массивов информации приводят не только к неэф­ фективному использованию средств вычислительной техники, но и значительно удлиняют временной цикл проектирования. Это явилось одной из главных причин создания автоматизи­

39

рования ИЭТ и РЭА. С помощью этих систем можно было бы решать задачи всех этапов проектирования — от получения ТЗ на проектируемое ИЭТ (или РЭА) до получения информации на машинных носителях для их изготовления на программно­ управляемом технологическом оборудовании. Для решения этой проблемы необходим системный подход, так как состав­ ляющие САПР ИЭТ и РЭА взаимосвязаны.

Проблемы построения САПР аналогичны проблемам по­ строения любых сложных систем и включают технологиче­ ские, концептуальные, методологические и теоретические ас­ пекты.

Технологические аспекты касаются построения системного программного комплекса САПР, т. е. структуры банков дан­ ных (БнД), систем управления базами данных (СУБД), опе­ рационных систем (ОС), управляющих программ, языков про­ ектирования и программирования, средств автоматизации гра­ фических работ, средств подготовки документации.

Концептуальные аспекты касаются построения системы принципов автоматизированного проектирования. В этом слу­ чае САПР определяется как система для создания объекта проектирования средствами автоматизации вычислений, созда­ нием системы получения информации и автоматизацией ее обработки, организацией целевого человеко-машинного про­ цесса проектирования, решением задач управления проекти­ рованием.

Концептуальная структура САПР включает следующие составляющие: библиотеку моделей объекта и процесса про­ ектирования; библиотеку решающих процедур, обеспечиваю­ щих построение проектных решений; систему информации, построенную из моделей объекта и процесса проектирования, преобразований этих моделей и совокупности оценок проект­ ных решений; инструментальные средства построения баз дан­ ных, систем управления ими и технологию создания приклад­ ных, системных и сервисных программ; программные и тех­ нические средства модификации моделей, построения новых решающих процедур, преобразования и обновления информа­ ции в базах данных.

Методологические аспекты касаются построения системы научных взглядов и структуры отношений создателей и поль­

теории автоматизированного проектирования и создания аппа­ рата такой теории. К таким задачам относятся анализ разре­ шимости общей задачи проектирования ИЭТ как объекта, де­ композиция объекта проектирования, анализ общего проектно­ го решения, построение законов функционирования САПР и

40