автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Моделирование и алгоритмизация теплофизического проектирования в САПР БИС

ВОРОНЕЖСЮЙ 'ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТйХНйЧЕСЮЙ УНИВЕРСИТЕТ

V ■ : '' •' 1 ■

На правах рукописи

Макаров Олег Юрьевич

ШЛШ1РШЛ1С!Е И АЛГОРИТМИЗАЦИЯ ТЕПЛО'И15ИЧЕСКиГО 1ТРОЕ1 ч'ПТРОСА! П!Я В САПР БИС

Сиечцылыгость 05.13.12 - "Системы автоматизации

ирс гктироааши'

, А В Т ОРЕОГРАТ

Л/ссссртотт ¡а соиясзкке учокой степени кгадшюа тохппчеашк паук

Вороной 1914

Работа выполнена на кафедре "Систеш ломатнаиронашгагс проектирования" Воронежского гссударахаешшгс технического университета

Научный оуководитель: заслуженный деятель науки РФ, академик Академии естественных наук, д.т.н., профессор В.Н. Фролов

Официальные оппонент:' д.т.н., профессор Ю. С..-Захаров,

к.т.н. А. Г. Юре наш

Ведущая организация: На. чно-исследовательски: «полягут

технологии и организации принагю^отва (г. Нижний Не згорзд) "

Защ-та соотои"ся _" шел А 1994 г. в 44 часов ia ааседиши специализированного совета Д 053.8Х.02 Воронежской государственного техш ¡ecftaro университета пс адресу: г. Воронь«, Московская. пр., 14.

.С диссертацией можно оркгглямася в библиотеке ВРТУ.

кг тор' $ерат разослан " i " L'-юнзс 1994 г.

УЧЛШЙ СЕКРЕТАРЬ СПВДШИЗИРОВАШЮГО СОВЕТА д. т. н., профе icop ^

Е.Львович

ОБЩАЯ ХАРАКТ•РИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Основу злем-линэй бавы современной микроэлектронной аппаратура (МЭЛ) и вычислительной техники составляют большие интегральные микросхемы (БИС), широкое применение которых позволяет сущест г mío улучшать характеристики создаваем! х устройств - повысить быстродействие и надежность снизить габариты, массу и мощность потребления. Поэтому весьма вахтой является задача повышения эффективности автоматизированного проектирования БИС, разработют новых средств прикладного программного обеспечения (ПО) САПР JJÍC, позволяющих достичь требу >мый уровень ¡сачества и надежности, при сокращении сроков разработки.

Современные БИС представляют собой весьма сложный гбъе т проектировали (ОП), что вызыъаег необходимость применения принципа декомпозиции, в соответствии с которым БИС раздел, ется на ряд иерархических уровней и аспек чэв. Этот по х д приводит к делении процесса проектирования БИС на ряд этапов'. физкко - токологического, системного, функционально - логического, схемотехнического, конструкторски-топологического проектирования.

Та!«и структура процесса разработки БИС выдвигает пр олему согласования и взаимного учета решений, принимаемых ~:а отдельных этапах, для получения оптимального проекта в целом, что обусловлено тесной ззапмоевг ;ь:э кс..<пл кса физика - технологических, функционально - схемотехнических и ¡инструктора®; вопросе в при проектировании и изготовлении БИС.

Одной их вгяпейзих проблем. тргЗукких облзатогьн лч> реяеняя и учета на всех этапах проектирования БИС, является обеспечение пори-лмюго теплового' режима (ТР). Прогр со в области микроэлектроники обостряв/ данную проДлему. Такие тенденции в о С лети создания üciux микросхем, ¡сак переход к субмикро'пюй гохнох гип, потягепи» степени шгеаграиии, увеличение размеров кристаллов, рост быстродействия ведут к возрастанию удельной тепловой tai -рузки и, соответственно, к усилен' ю температурных ьозде ;ствий. Позтсму теялофизическсо проектирование (ТФП) становится неотъемлемой частью процесса разработки БИС, ч"о требует наличия в составе и;:тегр!-'рзвгиной САПР ЕЛС специальных средств моделирования и опт$с.з:ога5п! темпоргтурпих полей. Таким сСрззсч актуальность 7с:лл дпссеотацнснпс; работы заточается в аеобкодп.<ос?я разработки методов п средств теллс&лзического прсектроклнии, направленных ;;а получение проектов ЕНС, опт;".:лз::роГгЯ!!.ччх к?к по

ционально-констру! юрским, так и тепловым кр: ;риям, и реализация на основе данного подхода программно-методического комплекса (П? "К> теплофизуческого трое стиров/шия в САПР ЗИС.

Работа выполнялась в соответствии с комплексной программой ГКНТ и АН СССР 0.80.02 (задание 35.01.08), межвузовской целевой программой САЛР Минвуза РСОСР КНП- 2000 "Повышение качества и надежности продукции, программного обеспечения SPM и • ехнических средотв обучения", госбюджетными НИР ГБ 5/91 'Моделирование и оптимизагия интегрированных САПР" и ГВ 63/92 "Разработка методов и программных средств для интеллектуализации процесс! оптимального проектирования в интегрированных САПР основным научным направлением ВГТУ "Чсследоваиие и разработ ка CAIP, роботов и ГАП".

Целью работы является разработка и практичег ия реализация средств моделирования и оптимизации топлоеых режимов микросхем для создания программно-ме одического комплекса теплофизике coro проектирования в САПР БИС.

Ца достижения поставленной целя в работе решались следующие задачи: ..<

анализ процесса автоматизированного теплофизического проектирования БЛЗ;

разр; 5о'ка структуры г.роблемно - ориентированного 1Ш .теп-л^фиэичесьлгп проектирования в САПР БИС;

построешг» комплексной теплофизичесгой модели БКС, обеспечивающей моделирование температурой: полей всех иерархически ; ровней конструкции БИС на различных этапах проектирования, и соответствующих математических .пл^лгЛ;

выбор и разработка мзтодог моделирования температурных полей БИГ, отличаюэдхся высокой точностью и быстродействием, поз-t шюг'ш реализовать интерактивный режим работы подсистеш;

создё ие оптимиза ионных Моделей и методов, направленных на синтез вариг гаов конструкции БИС ( корпус, *тешюотЕод, кристалл) с oí гимакшым тепловик режимом;

формирование алгоритма иерархического моделирования температурных m лей и алгоритмов о тыпзадии тепловых характеристик БИС;

разработка программного и информационного обеспечения (КО) создаваемого iMK те! лофивнчестго проектирования БИС.

Метода исследования оснсзываются на теории системного ана лива, методах математической физики, вычислительной математики, математического программирования и оптимизации, теплообмена, структурного программирования.-

На:/чная новизна работы заключается в следующем:

1. Сформулированы -.ринципы псотроения проблемио-ориентир ванного ПМК тепло'1 язического проектирования БИС, обеспечивающие рациональный выбор выполняема функций и проекты« процедур.

2. Разработана комплексная теплофизичеекгл модель БИС, охватывающая все иерархические уровни конструкции и обеспечивающая • проведение анализа и оптимизации тепловых режимов за различных этапах проектирования, допускающая совместнее использование с моделями топологического проектирования и ориентированная га г --томатгзированно& построение тепловых моделей конкретных конструктивно-технологических структур БИС.

3. Предложены методы и алгоритмы моделир и шия температур-1шх полей как БИС-в целом, так и ее элементов, отличающиеся пз-можностыо автоматизированного выбора тошости, писо'ким быстродействием и ориентированные па интерактивный реким взаимодействия с пользователем.

4. Созданы методы и алгоритмы оптимизации текпоатурлых полей БИС, отличающиеся возможностью использования различных критериев оптималыгост.; и примеис шя на разных этапах проецирования ■ позволяющие проводить многокритериальный выбор наиСол< е рационального варианта юэнтрукции.

5. Разработана структура ПМК т< плофизического I роектироаа-иия БИС, а также алгоритмическая схема использования и взаимодействия проеитпых процедур моделирования I оптимизации, ориентированная на поддержку процесса сквозной автоматизирот ммой разработки БИС.

¡!ршгпкес;?ая гш»пост& работы заключается т следующем;

использование предложенных моделей и методов анализа те :.щз-ратурных . полей в САПР БИС позволгет сократить время меделирова-иия ТР при обеспечении точности получаемых результатов 5-7 % к реализовать штерактившй реким работ^ пользователя;

претенешп разработанных методов ТФП БИС на основе многокритериальной опта кзащш параметров ¡данс'.:рук ц ! повышает над«"«-

ность создаваемых микросхем за счет полученш пти.(ального распределения температурного поля;

разработано программ» е и • икформационн >е обеспечение ГМК оптимального теплофизического проектирования в САПР БИС.

Роализадгш результатов работ Результаты исследований использовались 11 пяти НИР, шполненных в ВГТУ. Разработанный программно-методический комплекс теплофизического проект; ооваиия БИС внедрен на трех предприятиях электронной про,.лжшшости (НПО ' Электрочика", НИЛ электронной техники, ОКБ при заводе "Процессор", г. Воронеж) с суммарным экономическим эффектом 332.46 тис. руб. в ценах 1990-1992 г., что подтверждено актами внедрения.

Программные ci едства моделирования и i птики- зации 'тепловых режимов БИС используэгся в учебном процессе на кафедре 'Системы е -лшатизировавяого проект!» ювания" ВГТУ.

Апробация работы. Основие положения и результату диссертационной работы' докладывал! зь и обсуждались на следующих к >нфе-ренцпях, симпозиумах, совещаниях и семинарах: Всесоюзном яауч-но-те) н- ческом симпозиуме "Надежность и качество в приборост{ ое-нии и радиоэлектронике" (Ереван, 1086 г.); второй Всесоюзной конференции "Прием и анализ сверхнизкочастотных колебаний- естественного происхождения" (Вороне.к, 1987 г.); зона >ной ¡coije-ренщш "íVitoiu прог юзировишя надежности проектируемых РЭА и Í ЗА" (Пенja, 1988 г.); Всесоюзном совещании-семинаре " Разработка и оптимизация САПР Г/Л изделий электрона й техники на базе высокопроизводительных' мини- и мике i-sb!,!" (Воронеж, 1989 г.); ;евятом Всесоюзном симпозиуме "Эффективность, ячество и над час-кость систем "Человек - техник;" (Во; оиея, 1990 г.); Российской научно-технической конференции " Методы оценки и повышения надежности РЭС" (Пенза, 1991 г. ^ Всесоюзной школе-семинаре " Раз-¡■а£отка и Блсплуатация САПР в радиоэлектронике" (Челябинск, 1991 г.); i.cее/ тюм совещг жи-сэминаре "Интерактивное проектирование технических устройств и автоматизитсванных систем на персональных ЭВМ" (Воронеж, 1'01): Всесоюзной научно-технической конференции " Перспективы развития и.применения средств вычислительной техник. для моделирования' и автоматизированного исследования" (Мюква, 1991 г.); Российском совещании-семинаре "Оптимальное nptактирование технических устройств и автоматизированных гнетам" (Вороной, 092 г.); Всероссийском совещан и-семинар'»

"Высокие технологий в проектировании технически устройств и ав. томатизированных систем" (Bapoieac, 1993 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликована 21 печатная работа.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырехглав, заключэшя, списка использованных источника', включающего 125 нг именований, и И приложений. Работа изложена на 162 страницах машинописного те;:ста и содержит 25 рисунютв.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ проведен анализ процесса скъозного автоматизированного проектирования БИС, выявлены основные особичгас ш разработки, требуюдае учета при создании средств САПР Б,НС: большая размерность решаемых задач, ведув^зя к шрокэму п мменешло принципа декомпозиции по структурному и Фую и он&аному признаем; недопустимость дефектов проектирования; необходимость с.Зя-зательного автоматизированного-анализа л верификации результатов на всех этапах проектирования; повкшениье требования к наделшос-ти и стабильности параметров; постоянное совершенствован?1, технологии; уменьшение тспологнчесгак размеров; повыгэние степени интеграции и быстродействия; тесная связь и взаимовлияние ппоек-тных решений, прини .аемых на ; азличных этапах. Отмечено, чтс современные тенденции а области проектирования и изготешения БИС обостряют проблему обеспечения TP, комплешгое решение которой вопмежно путем создания в сост/гве САПР БКС проб.\емно-ора оптированного ITVK ТФП, поддерживающего моделирование и оптимизацию теплови>: характеристик на различных этапах чрсдассз разработка.

Сформулирован!., основная цель теплофизического проект- "ова-ния как получение необходим параметров температурного . лая в шютрукцпи БИС, saj-почаюаееся s выборе та. jk пооекткых решении, которые с учетом функциональных и конструктивно-технологических ограничений позволяют обеспечить тг эбуемое (заданное; шв оптимальное по 1сакому-либо критерию простракзтвенно-временное распределение температуры.

Показано, vro решение данной проблеш требует разработки тепловых и математических моделей ста и Ш), оплывающих процессы теплообмена в БИС, приспособленных для агрегации со схемотех

ническими и конструкторскими моделями, направ,: шых на использование в процессе многокритериальной оптимизащ и копстругадай БИС с счетом многообразия приме иемых параметров, условий и ограничений различной физической природы.■

Проанализированы существующие ТМ и ММ , методы и программные средства, применяемые в области теплофизического проектирования БИС, и выявлены основные направления их соверше кзт'вования: разработка конструктивно-точных методов ТФП, т.е. обеспечи--Всйощк пг лучение конструкций с заданным ТР в процессе их синтеза путем активного взаимодействия средств, проектирования БИС и теплового анализа и оптимизации;

создание компл ,;копой модели тепловых прс дессо: в БИС на основе метода поэтапною моделирования для поддержи процесса сгеозного проецирования в ? зтегрированной САПР, обеспечивающей возможность автоматизированного формирования ММ коккретьой конструкции;

разработка моделей и методов оппаниацил ТР, а также теплофизике ч< критериев, ориентированных на использование в средствах топологического проектирования при решении задачи размещения на кристалле БИС с учетом характеристик возникающих температурных полей;

¡штеграгия сред ств тегвового проектирования и прогнозирован я наделг-.оои! разрабатываемых ВИС.

Для получения .выс'с. :ой точности моделирова гая с низкими временными затратам»! предложено использо; ать в комплексе как зкоко-) етные численкыз, так и аналитические методы в зависимости от требуемой погрешности и полноты псчодшх данных.

На. основании проведошюго V. ;иза Ш сформулированы задачи, которые долкны решать сродства теплофизического проентир' вания Е'Ю.

м >дал ровать объе1 ные стационарные и нестационарные температурные пoJ I на всех иерархических '/ровнях конструкции БИС с уче: >м различных кокет >уставно-техьологяческих структур и способов охлавден'и;

опреде^ „ть иеобходкшй вид охлаждения, синтезировать требуемые конструкции теплпотведов, выбирать материалы, обеспечивающее оптимальный ТР;

проводить размещение на кжсталле источников тепла с. ц^-ль:, получения оптимальных параметров температурного поля;

прогнозировать надежность БИС.

ВТОРАЯ ГЛАВА посвящена разработке структуры средстг ТФП и математпчеасого обеспечения процедур моделирования и оптимизации ТР.

С учетом расгмотренного в первой главе комплекса задач обоснованы основные функции, выполняемые средствами автоматизированного теплофизического проектирования БИС, и составлен перечень проектных процедур, реализующих решение загач многоуровневого моделирования и оптимизации тепловых режимов.

На этой основе разработана структура средств теплофизического проектирования, включающая следующие основные злементг: ь 1-нитор; базу данных (БД); интерфейс пользователя; средства связи с едино'} БД САПР; программные подсистемы моделирования температурных полей БИС, обеспечения и оптимизации зплового режима, прогнозирования надежности создаваемой БИС.

Для .реализации комплексной теплофизической модели БИС разработаны тепловые и математические модели простых конструктивных злемэнтов, получаема путем структ*'рной декомпозиции всей коне-трукции микросхемы, для которых краевые задачи рас^эта тзмпера-турных полей имею? относительно простое математическое опкгпниэ и допускают примем лие эконсличных методов'решения ураЕн^нга теплопроводности. В качество таких элементов выделены: основание корпуса; крышка корпус 1; внешние и внутренние выводы; кристалл; схемные компоненты и элементы; создинительные слои, внутренний (теплорастеиателъ) к внешний (радиатор) теплоотводы. На основе анализа конструктивных особенностей выдел .ннь к структур лкбраш ' следующие элементные ТМ, позволяющие сформировать мод? •* все.? рассмотре тых элементов конструкции: прямоугольный одно ло?ный параллелепипед; прямоугольная пластина; 1.еогр"зниченнач пластина; стержень произвольного сечения.

Для описания процессов . тег гаобмена в данных об", зктах используется обобщенное уравнение теплопроводности •

С3к> п й ; СЮ ч

с(и)р(ц) — = А(Ц,Ф) — + - чо(и.в), '1)

сЗт 1 1 скЛ аи '

где п « ГХ

и * х, у. 2;

с(и), р(и), \(и.0) - удельная теплоемкость, плотность и коэффициент теплопроводности материала ТМ;

0 » 0(и,т) - перегрев ТМ;'

а(и,о) и чо(и.О) - объемные плотности тешгсзых потоков . источников и стоков гепо.а.

Распределение и интенсивность тепловых источников, а танже конкретные воды и параметры теплообмена на поверхностях ТМ зада- -ются с помощью граничных условий I-IV рода.

Совокупность I усмотренных элементарных ТМ и построенные на их основе модели конструктивных составляющих БИС образуют комп-I жсную теплофизическую мод »ль, охватывающую все конструктивные иерархические уровни (от отельного компонента до БИС л целом), обладающую унифицированной структурой составных частей, поддерживающую возможность автоматизирована й адаптации к конкретным типам к пструктивно-технологических структур БИС и ориентироган-ную на решение задач ТФП на. физико-топологическом,, схемотехническом и конструкторском этапах разработки.

С при. ¡енениег,, локально-одно!. зрной схемы числен' ого решг чия ' модели прообоазуютс1 в системы разностных уравнений

ШШЗ - -свз,

ШК¥3 » -СВ1, (2)

№3183 - -ЕП,

где Ш. ЮЗ, [РЗ - матрицы коэффициентов разностных уравнений;

К'З.К'З.ШЗ - сектор 1-столбцы неизвестных сеточных (рункц I;

ГЬЗ, [1)3, ГШ - вектор! -столбцы задаваемых тепловых воздействий .

Магрии I САЗ, СС2 и 1РЗ имеют тэьлдиагонашшй вид, что позволяет попользовать д и решения этих систем эффективный метод прогонки. Т*ким образом, обеспечивается применение т^плофизичес-кш модпдек в задачах скнтеза ;.ля оценки проектных решений с точки ' рения ТР и годдержка интерактивного режима работы программных средств Т>Ш.

Теплофизическая модель конкретной конструкции формируется путем агрегации отдельных моделей из предложенного набора.

Для получения конструкций БИС с оптимизированным ТР необходимо осуществить интеграцию средств проектирования и моделчрова-ния температурных полей, что приводит :: ряду задач кокструктиз-но-теплового синтеза: выбор конструкции корпуса, параметров теп-•лоотводов и способа охлаждения, обеспечивающих заданный ТР; оптимальное размещение топологических фрагментов на кристалле по тепловым критериям.

Использовише тепловых критериев , оптимальности позволяет обеспечить теплоэлектрическую совместимость схемных элементоз, равномерность температурного поля, снижение общего температурного фона, исключение локальных перегревов и , как следствие, удучшше характеристик и повышение надежности БИС.

Решение задачи минимизации или обеспечения заданного значения перегрева кристалла (йкр(х,у,2,х) -* п1п или 0Кр(х,у,г,х) » 03) основьвается на использовании эффективного коэффициента теплоотдачи «э. с помощью ¡которого выражение для перегреве, кристалла иото записать б виде:

■Окр - Рк/(Баз). (3)

где Р - рассеиваемая БУС моцггасть;

3 - плогцзяь теплоотдгздей поверхности корпуса; к - коэффициент, учитывающий растершие теплового потока от кристалла по поверхкост) корпуса я опредо-ляемй путем решш краевой задачи.

Для расчета «э построим фуякшт нагьнке газисгагости • Г(Ц:«,Д,Тт,Н,Цт,х,и), свясивгязие его втчепие с разиераш корпуса Цк, кристалла тт. Тт теплоогеода, тюхой И а рагиерсми Цт его тешюрассеизаддх элементов, характеристиками пржепяемах материалов А и видом оглашения 1?. Эти величины являются варьируемыми параметрами оптимизационной задз?я с целевой функцией (3) по выбору типа корпуса, ода охлаждения, констругарш тепло-отвода.

Для задачи размещения источников тепла па кристалла К!С попользуются кркт< рии:

сварная температура тополог-п,*есклх элементов (обеспечква-

ет снижение общего температурного фона и, как следствие, повышенна надежности)

п

(4)

суша квадратов отклонений локальных перегревов от заданного значения, в частности, от среднего (обеспечивает выравнивание температурного поля)

4

1 " -

?г--tE-Wa- öi)2; (5)

J n+l 1 1

локальный перегрев в какой-либо заданной точке

F3 - Оь' ;б).

Для голучения оптимального размещения выбран метод парных перестановок, имеющий высокую эффективность и часто используемый в средствах топологического проект.грования БИС.

Условия реализации перестановки элементов ег и eg имеют вид:

п

- Orr + - örr - tiee +l?1('>fi " *>П + bei - й*4) > 0, (7)

W Off, Оаи - собственные перегревы f-ro н £-го элементов до перестановки; Ofi. - наведенные перегревы от f-ro и g-ro элементов на 1-й элемент до перестанови!;

Orr, öß-g-, t>fi, йь-i - после проведения перестановки;

ДР2 = (öl- - öf) (|}Г + Öf - 20з)+ (öe - ötr) (ötr + Ое- - 20e) + п . ♦jS^m - öfsriHau + + Oft,t + öfvi - &»8), (8) i^f, е

где öf, Ое, оf, Oß- - перегревы f-ro и g-ro элементов до и после перестановки;

Ofei - öf j + öel;

|>1ф - фоновый перегрев 1-го элемента, обусловленный влиянием всех других источников тепла на кристалле;

П

&Р3 - «ГГ - в«- +• 151(»1Г - Опт) > 0, (9)

где 1?хг и 1а- - наведенные перегревы от 1-го элемента на Г-й и е-й элементы до перестановки.

Для расчета значений критериев используется модель, описывающая двумерно.' температурное поле кристалла, что позволяет снизить временные затраты.

Получаемые варианты предназначены для использования средствами тополопиеского проектирования в качестве первоначального размещения, которое затем оптимизируется по коммутационным критериям. Предложенные модели тазосе могут быть введены в алгоритм размещения, использующий метод парных перестановок, для оценки ТР в процессе топологического проектирования ( как ограничение иди в многокритериальной опт;шизац;-:о1шой задаче )

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ рассмотрены вопросы алгоритмизации теплофк-зического проектирования БИС, Еьлычаэдие моделирование и олтимл-сашпо ТР.

Основу построения процед"р Ш1 соста: кет алгоритм модели-ропаши ТР, базирующийся на предложенной комплексной теплофизи-ческой модели БИС. Использование для построения №1 тепловых процессов на раллтшх структурой уровнях БИС о них и тех жз элементарных моделей, допускающих пр!2,кнепие одинаковой схемы численного рэшоши, приводит к лодобич процедур моделирования. С учетом зтик особенностей разработан алгоритм иногоурознего моделирования температурных полей (от компонента до БИС в целом), испапьзуащпй численные модели (2) и обеспечивавший единый подход к анализу температурных полей на различных этапах проектирования БИС. Настройка на конкретную кокстругаыю осуществляется путег. формирования соответствующих граничны [ условий. Для повшения точности предусмотрен учет »¿линейности параметров уравнений (коэффициентов теплоотдачи и теплопроводности, тепловых потоков). Точность и время моделнровачия регулируются числом сдаваемых уьлов разностной сетки, влгтацих иа размерность матриц иЗЛЮЛРЗ.

1Я

Алгоритм размещения на кристалле топологических элементов, представляемых в виде плоских источников тепла, по тепловым критериям (4)-(6) включает выполнение двух этапов:

формирование начального размещения методом дихотомического деления всего множества элементов Е по условию |tf,.-8j| -» min, где и 8j - суммарные собствен!. перегревы элементов, включаемых в группы Ек и Ej;

• итерационный процесс улучшения начального размещения способом парных пер .станэвок по условиям (7)-(9).

При оптимизации параметров конструкции БИС и размещения элементов на кристалле предусмотрена возможность совместного ис-пагьзовачия нескольких критериев? Решение такой многокритериальной задачи основано на скаляризации целевой функции путем аддитивной свертки критериев. Для определен; я весовых коэффициентов используется асимптотический подход с применением многоуровневого адаптииного алгоритмом, основанного на методах стохастической оптимизации, который позволяет получить свертку критериев с учетом системы предпочтений ЛПР путем построения диалога.

Далее в этой главе рассмотрена разработанная на базе приведенных алгоритмов общая структурно-алгоритмическая схема процесса теплофкзического проектирования БИС, показывающая взаимодействие процедур моделирования и оптимизации, движение информационных потоков при решении задач обеспечения TP на различных этапах (фкзико-топологический, схемотехнический, констручторско-топологический) создания проекта БИС и являющаяся базой для создания ПО и ио.

ЧЕТВЕРТАЯ ГЛАВА посвящена разработке на основе предложенных моделей методов и реализукгда их алгоритмов ПМК тепофизиическо-го проектирования в САПР,БИС.

Основой ПО является диалоговый монитор, обеспечивающий управление процессом проектирования и организацию взаимодействия с пользователем посредством многоуровневой системы меню, проектирующие алгоритмы реализ/ются тремя программ« .¡ми подсистемами: моделирований и анализа температурных полей; оптимигации тепловых режимов БИС, выполняющей процедуры выбора оптимальных параметров корпусов и теплоотводов, способа охлаждения, размещения топологических элементов на кристалле по тепловым критериям; прогнозирования надежности создаваемых БИС. Все программные

средства 1шеют.модульну» структуру, взаимодействие между шши в процессе работы осуществляется через БД тевдего проекта.

Информационное "обеспечение дачного программного комплекса включает БД, обеспечивающую хранение и использование следующей информации:

характеристики применяемых материалов; модели простых конструктивных составляющих конструкций БКС; сформированные модели конкретных типов корпусов, кристаллов и БИС в целом;

архив прое :тных решений и результатов моделирования: исходные данные и результаты выполняемого проекта. Ввод и редактирование данных осуществляется средствами диалогового монитора.

Созданное ПО характеризуется следующими параметрами: занимаемый объем памяти на диске - 1,5 Мбайт; погрешность моделирования температурных полей - 5-7 %; число- одновременно используемых критериев оптимальности - 5. Далее приведены примера ТФП с помощь» разработанный средств семи БКС различной конструктивно-технологаческой структуры ( в тем числе КР1804ВС1 , КР1005ВИ1 . КР1005БЕ1 ; КР565РУ5), а тазс.О ептшлгаагии технологических температурных .реякыов сборки. Показано, что применение предложенных моде; й и методов позволяет повысить надежность и качество разрабатываемых БИС, увел!г>пь дроцелт выхода годных схем.

Оспоиппз результата работа*.

1. Определены задачи теплофизичегкого проектирования БКС, реяавдо» ка различных этапах разработки, и сформулированы принципы построения и состав основных проектных процедур ссответс-етушзго программно-методического кшллеказ а составе интегрированной САП? БИС. ' *

2. Предложена структура пробдешю-сригнтироватюго ШК теп-дофизкческога проектирования, поддерга.вашего процесс с;свозного автоматизированного проектирования ЕЮ и обеспечивающего проведение анализа к оптимизации тепловых реглкза БИС на . различных зтапач создания грезкга.

3. разработана комплексная «етфюююсная модель БКС, ох-ватьвояЕйЯ все иерархические уровни гйпгтрукщш с приметшая для

описания тепловых процессов . БИС с различной конструктивно-технологической структурой, отличающаяся унифицированной структурой составных частей, возможностью применения как для оценки теплового режима, так и для детального анализа температурных полей, совместного использования с моделями топологического проектирования.

4. Разработаны оптимизационные модели, позволяющие проводить оптимизаг то конструкций БИС по тепловым критериям путем выбора необходим ;го способаохлавдения, расчета ..араметров тепло-отвода, размещения источников тепла на кристалле.

5. Разработан унифицированный алгоритм исследования температурных полей БИС. обеспечиваетяий единый подход к анализу тепловых процессов на различных этапах проектирорэния, отличающийся воэмсшюстью выбора точности, высоким бы ¡тродействием и ориек жированный на интерактивный режим работы.

6. Предложен алгоритм оптимального размещения элементов топологии БИС на 1фисталле с использованием различных теплофизи-ческих критериев, а тагосе алгоритм размещения с учетом комплекса критериев (как тепловых, так и 'соммутационных), основанный на генерировании множества эффективных вариантов размещения и высз-ра наиболее рационального варианта методом многоуровневой адаптивной оптимизации, обеспечивающий в процессе решения настройку на систему предпочтений проектировщика.

7. Проведена алгоритмизация процесса сквогисго теплофизи-ческого проектирования БИС в рамках САПР и разработана его структурно-алгоритмическая схема, отражающая состав и взаимодействия процедур моделирования и оптимизации, использующих созданное ^тематическое обе -печение, при реализации проектных маршрутов для решения всех рассмотренных задач анализа и обеспе- ' чения тепловых режимов БИС.

8. Разработало программное и информационное обеспечение ПМК теплофизического проектирования БИС, включающее средства моделирования. оптимизации тепловых режимов и прогнозирования, надежности БИС, функционирование которых осуществляется в рамках диалоговой среды проектирование. Прогр шние средства проалл экспериментальную проверку и были использованы пру проведении проект. пых работ на ряде предприятий электронлой промышленности,. '

а. Получек экономический эффект при внедрении программных средств в сумме 332.46 тыс. руб. (в ценах 1990-1992 г.г.).

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Макаров 0. Ю., Муратов А. В. Расчет тепловых режимов элементов и, блоков радиоэлектронной аппаратуры с помощью ЭВМ ЕС -1022.-Воронеж, 1985.-19 с.-Деп. а ВИНИТИ 01.04.86, N 2255-В86.

2. Муратов A.B., Макаров О.Ю. Автоматизированный расчет тепловых режимов радиоэлектронной аппаратуры// Надежность и качество в приборостроении и радиоэлектронике: Тез. дока. Всесоюз. науч.-тех. оимп., Ереван, 2-4 дек. 1986. 4.1.-М., 1986. С. 34.

3. Коноров А. И., Макаров 0. Ю., Муратов А. В. Расчет тепловых характеристик блоков радиоэлектронной аппаратуры различного назначения на ЗВМ.-Воронеж, 1987.-13 с.-Деп. в ВИНИТИ 05.03.87, N Б615-В37. '

4. братов А. В., Макаров 0. ¡0. Вопросы обеспечения нор. малыюго теплового режима аппаратуры для долговременного приема

СНЧ колебаний// Прием и анализ сверхнизкочастотных колебаний естественного происхождения: Тез. докл. II Всесоюз. кояф., Воронеж, 16-17 сент. 1037.-Воронеж, 1937. С. 131.

б. Макаров О. Ю., Мур/'.тов А. В., 1 хлюк И. П. Програмшов обеспечение для анализа тепловых режимов проектируемых гибридных интегральных схем// Методы прогнозирования надежности проектирует РЭА и ЭЗА: Тез. докл. зональной конф.. Пенза, 25-26 алр. 1QS8.-Пенза, 1933. С. 66-67.'

5. Мскеров 0. Ю., Муратов А. В . Силаретов Г. А, Оценка на-дсгности шгфрсвда фильтре'в// Цифровая и аналоговая обработка и формирование сигналов передачи и приема инфоруацин: Медвуз, сб. Eayt;. тр.-Воронеж, 10S9. С.Е2-55/

7. Дптилкгагоров /.. 3., Maicapoo 0. Ю., Муратов А. В. Структура комплексной подсистемы теплофизнческогз исследования и мс-делироврния в CALP КОД// Моде -.« и алгоритмы оптимизации в автоматизированных системах: Медвуз, сб. науч. тр.-Воронеж, 1989. С. 169-173.

8. Антилюя торов А. В., Макаров 0. Ю., Муратов А. В. Подсистема теплофиэичееюто проектирования в САПР изделий электронной техники// Разработка и оптимизация СА1Р и I дП изделий злект-

ронной техники на базе -eucoi ^производительных мини- и микро-ЭВМ: Тев. докл. Всесоюз. совещ.-сем. молодых ученых к специалистов, Воронеж» 13-iQ сент. 1989.-Воронеж, 1989. С. 204..

9. Макаров О.Ю., Муратов А. В. Разработ!1а человеко-машинной подсистемы теплсфизического проектирования в САПР МЗА// Зйзк-тивность, качество и надежность систем "Человек-техника": Тез. докл. IX Всесоюз. симп., Воронеж, 1S90.-Воронеж, 1990. С. 66.

. 10. Подсистема теплофизического проектирования, в САПР РЗС/ А. Б. лнтшпь дторов, 0. Ю. Макаров, А. В. Муратов, 0. В. Савинков// Методы оценки и повышения надежности РЭС: Тез. докл. Рос. науч.-тех. конф., Пенза, S0-31 мая 1991.-Пенза, 1991. С. 96-98.

11. Макаров 0. Ю., Муратов А. В., Савинков 0. В. Программное обеспечение для анализа тепловых режимов МЗА// Оптимизация и моделирование в автоматизированных системах: Межвуз-. сб. нгуч. тр.-Воронеж, 1991. С. С5-88. •

12. Подсистема моделирования тепловых режимов в САПР РЭУ/ А. Б. Лнтшшкаторов, 0. Ю. Макаров, А. В. Муратов, 0. В. Савинков// Разработка и эксплуатация САПР в радиоэлектронике: Тез. докл. Всесоюз. шк.-сем. молодых ученых, Челябинск, 10-12 сент, 1991.-Челябинск, 1991. С. 5.

13. Литиликаторов А. Б., MaiîapoB 0. Ю., Муратов А. В. Программное обеспечение для прогнозирования надежности при проектировании КС// Интерактивное проектирование технических устройств и автокзтизированных систем ¡га персональных SEM: Тео. докл. Все-соаз. сосец.-сем., Воронеж, 11-15 сект. 1091.-Вороне;.;, 1901. С. 31.

14. Ма'зрэа О. Ю., Муратов А. В., Савинков 0. В. Моделирование î тловык рекпмоа радтяектраниай аппаратуры на ПЗЗ5,!// Там ке. С. 32.

15. Ma аров 0. ю., Муратов А. В.. Савинков 0. В. программное 'обеспечение для ыэделпрэзшщ тепловых рехзшов в САПР РЭА// Перспективы развитии к применения средств вычислительно!"- текши:;: для у.ододиг<оесллл и автои /пшроаашгаго нсследс Тез. дом. Всесоюз. науч.-тех. ш;ф., Москва, 16-18 окт, 1991.-М., 1991. С. 137-120.

16. Махров 0. Ю., Муратов А. В. Средства моделирования и опп2,кзад;ш тепловых рекимов г САПР Б'.:// Оьтимзльноз проектирование технических устройств и ейтоиахкзироьзшцу. еноте:,!: 'Ico.

лота. Рос. совет.- сен., Всдечея, 7-11 сент. 1932.- Воронеж, 1992. С. 46.

17. Фролов В. ¡1., Мшсарсз 0. Ю. Моделирование к оптимизация тешгофизичоских характеристик в процессе автоматизированного проектирования хиа// йтгмизацкл и моде/ нроваяиз в автсматигиро-латшых снзтема;:: Мэквуз. сб. науч. тр. - Воронеж, 1992. С. 11.2-117,

18. Макаров ОЛО. Разработка подсистемы теплофиаическсго проецирования в САПР ВТ1С// Оптимизация и моделирование в авто-матйзкроваиних жтетх: ■ Меявуз. сб. науч. тр.- Ворсиедс, 1993. С. 4й-46.

19. Макаров 0. Ю., Муратов А. В., Савинков 0. В. Моделщх)-вание voiusobw режимов при азто'зтизкровашом проектировании ШЛ// Там же. С. 35-41.

20. 1йкш5в 0. Ю. Ошшзадия топологии ВИС в процессе теп-лэдк.тического прое;ггирова?»кя// Высокие тешиепш в проектирова-шш техшкхюи "устройств и амшатавиргвашшх систем: Tea. до;«. Всергс. созея'..-cr.!. » .Еоронзж, Z7-33 селт. 1303. - Борсаея, '•.'•'.е. 0. С.2.

21. Макаров О.Х>., Муратов / .В.' Структура жто^гокрозанна;! .'л:сте:а! гспдофг^-исг'лгб-проегсипзоаазш Ш!С// Там «о. 0. 10J.

"Р >.Ю?Х419 о./ Ясдттей'о " п30.G5.Ç1.

Sûoxxi' 60?B4/'JA. Eyj:ira ги :«<?»«« uw, агмраюв. Усд.ппч.л. 1,0. Уч^-лзд.л. '1,0. TsipaH 35 зк,п Зак. M* Еорэь'гигкиЛ госуцлрсг'Еслт техничесхиЯ ун:-;вэз?с:тя? ?240Я?. Bcpouwt, Mî-ctfoecinfl -про.:п., ?4 Учесан• ся«рvnnHS-'l полиграфии Br-vOiît tc.wtï .'«су,- '.р-У.««кого гш'-дчеснс;':* уююерспмта