книги / Моделирование и автоматизация проектирования силовых полупроводниковых приборов

|А СКЭТ-П Н

Рис. 9.1. Функциональная структура системы АСКЭТ-Н

НАЧАЛО ОКР СПП

Рис. 9.2. Логическая схема проектирования СПП:

КТС — комплекс технических средств; УИ— управляющая информация; ФШ— фотошаблоны

181

ции выполнения НИОКР в процессе создания изделий новой тех­

ники.

Рассмотрим, как реализовывалась указанная схема при соз­ дании системы АСКЭТ-Н.

На рис. 9.1 изображена функциональная структура АСКЭТ-Н, в пяти подсистемах которой автоматизировано решение 15 типов

задач.

На рис. 9.2 показано, как задачи проектирования и методы (процедуры) их автоматизированного решения увязаны логиче­ ской схемой процесса выполнения НИОКР СПП.

Принятая при внедрении САПР СПП методология автомати­ зированного проектирования нашла свое отражение в составе до­ кументов методического обеспечения АСКЭТ-И, которые содер­ жат описание способов, методов и приемов, используемых персо­ налом АСКЭТ-П в ходе реализации процесса проектирования.

Задачи проектирования СПП относятся к классу слабострук­ турированных задач, решение которых не может быть выполнено в рамках заранее постулированных схем (алгоритмов) их реше­ ния. Наоборот, схемы решения задач ищутся в процессе разра­ ботки конкретных СПП субъектом проектирования.

В связи с этим в основу описания процесса автоматизирован­ ного проектирования положена не поэтапность в пространстве и времени проектной деятельности как таковой, а функциональная специфика этой деятельности, отраженная в некоторой типовой, логически завершенной автоматизированной процедуре проекти­ рования, применимой на любых формально разделимых этапах НИР, ОКР, ОТР.

С учетом сказанного логическая схема процесса проектирова­ ния СПП как объекта автоматизации (рис. 9:2), отражает основ­ ное содержание работ на любых этапах проектирования примени' тельно как к проектируемому объекту (СПП) в целом, так и к его составным частям.

Автоматизированный процесс проектирования СПП организу­ ется и реализуется проектировщиком (разработчиком приборов) с помощью средств автоматизации АСКЭТ-И. По способу приме­ нения средств автоматизации автоматизированные проектные процедуры могут быть разбиты на три типа.

Первый тип процедур применяется для решения задач, алго­ ритм решения которых заранее известен и может быть реализо­ ван однозначным выбором стандартизованных операций логиче­ ской и вычислительной обработки. Этот тип процедур реализует­ ся целевыми (специализированными) ППП подсистемы ПАМИР, такими, как ДИНАМИТ, САРХАТ, НАГРУЗКА, ДИРАС и др. Отличительными особенностями специализированных ППП явля­ ются простота и унификация входных языков и выходных доку­ ментов (результатов), а также возможность эксплуатации на вы­ числительном центре в операторском режиме без участия разра­ ботчиков ППП.

182

Рис. 9.3. Структура ПО АСКЭТ-Н

Поскольку ППП являются в САПР основным инструментом автоматизации, рассмотрим кратко назначение и особенности всех

ППП, составляющих АСКЭТ-И.

Предварительно дадим определение ППП. Существует много определений; здесь под ППП понимается некоторый программ­ ный комплекс, предназначенный для решения задач определенно­ го класса. В общем случае ППП состоит из набора вычислитель­ ных модулей (тела ППП), информационной базы и монитора. Набор вычислительных модулей определяет проблемную направ­ ленность, т. е. класс решаемых задач; в базе данных хранятся как эти модули, так и массивы исходной и выходной информации. Мо­ нитор ППП обеспечивает организацию управления вычислитель­ ным процессом, в том числе трансляцию описаний задач с вход­ ных языков ППП, планирование вычислений и сборку рабочих программ, организацию работы с базой данных ППП, диалого­ вый режим и т. д.

ППП, используемые в САПР, можно разбить на три класса:

ППП представляют совокупность программных модулей, не свя­ занных между собой и вызываемых при надобности пользовате­ лем из прикладной программы на каком-либо языке программи­ рования.

184

Под целевыми ППП понимаются программные комплексы, специализированные на решении узкого класса задач, с простым языком формулировки условий задач и жестким сценарием диа­ лога с пользователем.

ППП высокого уровня характеризуются развитыми входными языками, наличием планирования вычислений, генерации рабо­ чих программ из модулей тела ППП, наличием развитой базы данных. Для таких ППП характерен этап инициализации, в про­ цессе которого происходит настройка ППП на решение заданной задачи. В зависимости от состава программных модулей тела

ППП число различных задач, решаемых таким ППП, может быть чрезвычайно велико.

В системе АСКЭТ-Н имеются ППП всех трех типов. Примене­ ние при разработке ППП высокого уровня инструментальной си­ стемы программирования ПРИЗ позволило объединить их в ин­ тегрированный программный комплекс совместимых ППП

(рис. 9.3). Перечисленные ППП имеют развитые проблемно-ори­ ентированные входные языки высокого уровня, построенные как макрорасширения базового языка УТОПИСТ [9.8]. В ППП осу­ ществляется планирование вычислений и автоматическая генера­ ция рабочих программ по заданиям на входном языке.

Что дает разработчикам ППП САПР и конечным пользовате­

благодаря которому у разработчиков САПР отпадает необходи­

ным сроком их эксплуатации они получают эффективные и про­ стые в применении специализированные ППП. Причем число та­ ких ППП может постоянно расти и быть достаточно большим. Во-вторых, в тех случаях, когда необходимо оперативно изменить саму постановку задачи, решаемой с помощью ППП высокого уровня, проектировщик на входном проблемно-ориентированном языке может сформулировать новое задание, автоматически сге­ нерировать рабочую программу выполнения этого задания, запу­ стить ее на счет и получить результаты. Таким образом, разра­ ботчик СПП, неспециалист по вычислительной технике, может не только задавать исходные данные для программы и получать ре­ зультаты счета, как в случае специализированных ППП, но и оперативно менять саму постановку задачи в режиме диалога. Естественно, что эти постановки должны быть обеспечены зара­ нее запрограммированными модулями, а класс решаемых ППП

задач должен быть описан, т. е. должна быть создана модель предметной области.

185

Разработанная структура программного обеспечения САПР СПП в виде интегрированного комплекса программно и информа­ ционно совместимых инвариантных и специальных ППП позволи­

ной основой их разработки, благодаря чему ППП комплекса име­ ют развитые проблемно-ориентированные входные языки, в ППП

осуществляется планирование вычислений и автоматическая ге­ нерация рабочих программ по заданиям на входных языках па­ кетов.

В связи с ограниченным объемом монографии будут рассмот­ рены только основные автоматизированные процедуры, реализо­ ванные в АСКЭТ-Н: процедура технологического проектирования СПП, включающая задачи 4—6 (см. функциональную структуру

проектных решений — задачи 7—9. Главной отличительной осо­ бенностью этих процедур является сочетание формальных мате­ матических методов с неформальными приемами, опирающимися на экспертные знания проектировщиков.

В гл. 10 рассмотрено математическое обеспечение, т. е. фор­ мальная часть этих процедур, в гл. 11 — программное обеспече­ ние процедур, выполненное в виде интерактивных ППП высокого уровня.

Глав а д е с я т а я

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИЛОВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ

Теоретические исследования внутренних механизмов функцио­ нирования СПП, выполненные ,в первой части книги, создают формальную основу автоматизации процесса проектирования СПП. Переход в рамках САПР на формальные методы автомати­ зированного проектирования выдвигает ряд проблем, составляю­ щих основу теории автоматизированного проектирования. Одной из таких проблем является разработка адекватных формальных моделей СПП как объектов проектирования и моделей проект­ ных процедур как объектов автоматизации. Эти формальные мо­ дели составляют математическое обеспечение САПР СПП.

Формализация процессов принятия проектных решений может проводиться двумя способами. В основе первого из них лежит стремление смоделировать в той или иной степени процесс пере­ работки информации инженером в ходе «ручного» проектирова­ ния. Второй способ базируется на построении формального опи-

186

сания (модели) проектных задач и разработке формальных ме­ тодов принятия проектных решений на этих моделях. Второй спо­ соб, несмотря на ряд трудностей, связанных с программно-техни­ ческой реализацией, представляется более перспективным, так как одна и та же математическая структура при соответствующей интерпретации может служить моделью разных по содержанию и постановке проектных задач и, следовательно, одни и те же формальные методы могут быть попользованы при их решении.

Именно по пути реализации второго способа шла разработка системы АСКЭТ-Н. В главе будут рассмотрены формальные моде­ ли трех автоматизированных проектных процедур, реализованных в АСКЭТ-Н: процедуры параметрического синтеза СПП в оптими­ зационной постановке, процедуры технологического проектирова­ ния СПП и процедуры автоматизированного построения эмпири­ ческих моделей СПП. В главе рассмотрены также вычислитель­ ные аспекты моделирования СПП, включая методы решения на ЭВМ уравнений, описывающих статические характеристики СПП. Приведена схема модели классификационных электрических па­ раметров СПП, разработанная в [10:1]. Эта модель составляет расчетную часть автоматизированных проектных процедур, рас­ смотренных в настоящей книге.

В заключение главы рассмотрены основные понятия аппарата вычислительных моделей, используемого для формализации и представления в ЭВМ объектов и процедур проектирования.

10.1. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРЕДМЕТНОЙ ОБЛАСТИ САПР СПП

Одной из главных проблем при создании любой САПР явля­ ется разработка математической модели предметной области. Наличие достаточно развитой теории проектируемых объектов позволяет образовагь в ЭВМ формальную модель предметной об­ ласти или, в терминах искусственного интеллекта, модельную ба­ зу знаний. Такая модель, содержащая совокупность понятий и отношений между ними, вместе с проектными процедурами, реа­ лизованными в виде правил вывода суждений о свойствах этих понятий, образуют модельную базу знаний САПР.

Теоретический фундамент построения модельной базы знаний САПР СПП был заложен в первой части |книги. Здесь кратко ос­ тановимся лишь на вычислительных аспектах математического моделирования СПП, а также приведем математическую модель классификационных электрических параметров, которая потребу­ ется в дальнейшем для описания проектной процедуры парамет­ рического синтеза характеристик СПП и автоматизированной про­ цедуры технологического проектирования СПП.

Использование ЭВМ для моделирования привело к созданию нового типа моделей, основанных на численных методах, что по­ зволило полнее учитывать влияние различных факторов на физи­ ческие процессы, протекающие в СПП. Основные вычислитель­

187

ные проблемы, возникающие при численном моделировании СПП, заключаются в расчете полей в неодномерных областях, расчете концентраций носителей и токов, вычислении различных функцио­ налов, определяющих характеристики СПП, и т. д. По существу, численное моделирование СПП становится частью новой научной дисциплины — вычислительной физики.

Однако и роль традиционных аналитических моделей СПП в САПР достаточно велика. Аналитические модели были первыми моделями, позволившими рассчитать ряд статических характери­ стик приборов [10.1—>10.'2]. Разработка этих моделей позволила

.понять принципиальные основы физических процессов, определя­ ющих выходные характеристики СПП, сформулировать проблемы в области физики и тем самым стимулировать поиски решения этих проблем.

Привлекательными особенностями аналитических моделей яв­ ляются обозримость и простота расчетных формул, что позволяет легко реализовать вычисление характеристик СПП на ЭВМ. Важнейшим достоинством аналитических моделей в САПР явля­ ется их высокое быстродействие, что позволяет использовать эти модели для поиска оптимальных решений и расчетов большого числа вариантов конструкций СПП.

Для решения динамических задач используется метод интег­ ральных преобразований, в частности преобразований Лапласа или Фурье. Этот метод позволяет преобразовать дифференциаль­ ное уравнение в частных производных к обыкновенному диффе­ ренциальному уравнению, общее решение которого известно. За­ дача заключается в нахождении решений, удовлетворяющих крае­ вым и начальным условиям.

Основная трудность заключается в правильной формулировке граничных условий. При этом зачастую приходится разбивать временной диапазон на интервалы, в каждом из которых необхо­ димо ставить свои граничные условия, основываясь на физических представлениях.

Переход от решений в частотной области (изображений) к ре­ шениям во временной области (оригиналам) осуществляется ли­ бо аналитически [10.3], либо с помощью численного обращения изображений [10.4].

При аналитическом обращении изображений, кстати, не всег­ да возможном, решение получается в виде бесконечного функцио­ нального ряда, что в большинстве случаев требует привлечения ЭВМ для получения решений. Этим и объясняется название ме­ тода — численно-аналитический.

Численно-аналитический метод позволяет учитывать зависи­ мость некоторых переменных от координаты и от времени.

Усложнение аналитических и численно^аналитических моделей связано с целым рядом алгоритмических проблем. При этом мож­ но с сожалением констатировать, что усилия, затрачиваемые на усложнение модели, зачастую бывают неоправданными.

Наиболее целесообразным путем развития точных моделей

188

представляется переход к численному решению аистемы диффе­ ренциальных уравнений. Численные методы свободны от многих ограничений, присущих аналитическим и численно-аналитическим: моделям. С помощью численной модели можно исследовать ха­ рактеристики и процессы, имитируя работу реального СПП на ЭВМ [10.5].

Не последнюю роль в моделировании СПП играют эмпириче­ ские зависимости, с помощью которых могут быть описаны неко­ торые характеристики реальных СПП, например скорость распро­ странения включенного состояния в тиристоре. Эмпирические за­ висимости являются единственным способом описания в случае, когда отсутствует метод расчета характеристики СПП. Использо­ вание эмпирических зависимостей весьма эффективно и тогда, когда расчет весьма трудоемок, а требования к точности расчетанежесткие.

Весьма важным является вопрос об использовании простых к сложных моделей. По-видимому, следует придерживаться следу­ ющего правила.

Более сложную модель следует применять только тогда, ког­ да с помощью простой модели не удается рассчитать заданнуюхарактеристику или получить результат с требуемой точностью.

Отсюда, в частности, следует, что порядок применения простых и сложных моделей на различных этапах проектирования не мо­ жет быть строго регламентирован. Поэтому нельзя считать пра­ вильным тезис о том, что простые модели применимы только на начальных этапах проектирования, а сложные — на конечных. Общая схема использования моделей должна быть такой. С по­ мощью простых моделей путем просчета многочисленных вариан­ тов определяется наилучшее проектное решение, которое затемуточняется с помощью сложной модели.

Возможность варьирования значениями параметров модели в пределах области ее применимости и определяет возможность использования моделей при проектировании.

Одномерные численные модели позволяют наиболее полноучитывать физические эффекты в полупроводниковых структурах. Поэтому эти модели целесообразно использовать для исследова­ ния влияния различных физических факторов на выходные харак­ теристики СПП. При этом появляется возможность проверки кор­ ректности упрощающих предложений, принятых при построении аналитических и численно-аналитических моделей.

Двумерные и трехмерные модели с учетом основных физиче­ ских эффектов должны служить для выяснения влияния геоме­ трии СПП на его выходные характеристики.

Анализ применения моделей при проектировании позволяет сформулировать общие требования к моделям СПП и САПР.

Модель должна адекватно описывать СПП. Для поиска луч­ ших проектных решений должны использоваться простые и слож­ ные модели. Модели должны позволять рассчитывать широкий спектр характеристик СПП. Модели должны иметь открытую

189-