автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Моделирование и верификация аппаратно-программного комплекса для обеспечения целостности сигналов при проектировании вычислительных систем

На правах рукописи

ПОЛЕЖАЕВ Максим Олегович

МОДЕЛИРОВАНИЕ И ВЕРИФИКАЦИЯ АППАРАТНО-ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЦЕЛОСТНОСТИ СИГНАЛОВ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

Специальность: 05.13.05 - элементы и устройства вычислительной техники и систем

управления.

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005555641

Москва-2014 г.

005555641

Работа выполнена в аспирантуре ОАО НИИ ВК им. Карцева М.А.

Научный руководитель:

Чудинов Станислав Михайлович доктор технических наук, профессор.

Официальные оппоненты:

Митрушкин Евгений Иванович Доктор технических наук, профессор, ученый секретарь Открытого акционерного общества «Ордена Трудового Красного знамени научно-исследовательского

института автоматической аппаратуры имени академика Семенихина B.C.»

Панфилова Елена Семеновна Кандидат технических наук, доцент Кафедры электроники и наноэлектроники Высшей школы экономики - Московского института электроники и математики

Ведущая организация:

Открытое акционерное общество «Институт электронных управляющих машин имени И.С. Брука»

Защита состоится "19" декабря 2014 г. в 11 часов на заседании диссертационного совета Д217.047.01 во ФГУП «Научно-исследовательский и экспериментальный Институт автомобильной электроники и электрооборудования» по адресу: 105187, Россия, Москва, ул. Кирпичная, д. 39/41.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГУП «Научно-исследовательский и экспериментальный Институт автомобильной электроники и электрооборудования».

Автореферат разослан 5 ноября 2014г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Варламов О.О.

доктор технических наук, снс

Общая характеристика работы Актуальность темы Технология автоматизированного анализа целостности сигналов (ЦС) многослойных коммуникационных плат является определяющей для вычислительных устройств, работающих в субнаносекундном диапазоне. Проблема обеспечения целостности цифровых сигналов (ЦС), предполагающая анализ причин их искажения и разработку методов устранения, играла существенную роль при проектировании вычислительной техники. За последние годы в связи с резким ростом производительности микропроцессоров и вычислительных комплексов, обусловившим переход на сигналы субнаносекундного диапазона, ЦС приобрела ключевое значение и стала предметом ряда основательных исследований и связанных с ними публикаций. В настоящее время технические и эксплуатационные характеристики высокопроизводительных вычислительных систем во многом определяются конструкцией межсхемных соединений и технологией их получения. Необходимость максимального использования скоростных свойств логических элементов субнаносекундного диапазона, вынуждает разработчиков постоянно совершенствовать методы автоматизированного проектирования и оптимизации построения вычислительных средств для обеспечения целостности и высоких характеристик передаваемых цифровых сигналов. Резервы в этом направлении заложены в развитии технологии виртуального математического моделирования переходных процессов при прохождении сигналов в межсхемных соединениях; учете паразитных характеристик реальных соединений на всех уровнях проектируемого устройства; адаптации системы автоматизированного проектирования с целью повышения точности характеристик проектируемых устройств; практическом подтверждении верности принимаемых решений и умения предсказания реальных характеристик соединений. Основной теоретической проблемой прогнозирования искажений логических сигналов является точность математических моделей. Одним из направлений в этой области исследований является верификация аппаратно программного комплекса с использованием микромоделей для исследования целостности сигналов при проектировании вычислительных средств. Базовая технология обеспечения целостности сигналов вычислительных комплексов с верификацией аппаратно программных средств может быть создана с использованием средств моделирования и анализа переходных процессов в линии передачи информации на уровне многослойных печатных плат (МПП). Задача электронного конструирования межсхемных соединений с прогнозированием надежности информационного обмена между логическими элементами является традиционно сложной для любого разработчика вычислительных систем и может быть решена с использованием математических моделей. При расчете переходных процессов в линиях связи особенно остро встает проблема точности математических моделей, т.к. любая модель основана на ряде физических допущений, а, следовательно «работает» в ограниченном диапазоне геометрических и электрических характеристик линий передачи. Результаты моделирования достигают десятки процентов. В связи с выше изложенным в работе, предлагается базовая технология моделирования межсхемных соединений в основе, которой лежат три направления использования: 1) Для решения проблемы предлагается использовать ряд простейших микромоделей межсхемных соединений на всех конструктивных уровнях проектируемой электронной системы при дальнейшем синтезе максимальной помехи монтажа на входах логических элементов. В микромоделях наглядно отражается влияние элементов монтажа на общую целостность логических сигналов. 2) Основная идея верификации программно-аппаратного комплекса моделирования (АПКМ) заключается в объединении программного ядра, содержащего алгоритмы моделирования переходных процессов в межсхемных соединениях с измерительным трактом, позволяющим исследовать реальные осциллограммы переходных процессов в линиях передачи с известными геометрическими и электрическими характеристиками, расположенными на ТЕСТ-ПЛАТЕ. Такая технология моделирования позволяет оценить точность расчета переходных процессов в межсхемных

соединениях, настроить параметры моделей, а, следовательно, повысить надежность прогнозирования информационного обмена. 3) Комплекс моделирования должен обладать высокой производительностью для оперативного принятия решений о корректности моделей. Связка: USB-генератор - ТЕСТ-ПЛАТА - USB-осциллограф - Notebook, а также система мультиплицирования сигналов позволяют исследовать переходные процессы в тест-линиях, как в автоматическом, так и в автоматизированном режимах с выбором сканируемой линии из графического интерфейса. Таким образом, базовая технология моделирования межсхемных соединений обеспечения ЦС позволяет обеспечить решение вышеуказанных задач исследований, что становится особенно актуальным при проектировании современных вычислительных систем, имеющих оптимальные коммуникационные соединения с высокими техническими характеристиками.

Целью диссертационной работы являются анализ и разработка базовой технологии обеспечения целостности передаваемого цифрового сигнала с верификацией программно-аппаратного комплекса в системе автоматизированного проектирования. Для достижения поставленной цели в работе сформулированы и решены следующие задачи:

1. Анализ современного состояния и тенденций развития в конструировании и технологии изготовления межкоммутационных (межсхемных) соединений с целью создания общей системы обеспечения ЦС при проектировании вычислительных устройств.

2. Верификация аппаратно-программного комплекса моделирования как средства системного проектирования, выбора и обоснования рациональных технических решений для большого количества функционально сложных вычислительных систем.

3. Частотное моделирование формы импульсных сигналов в линиях связи с потерями с использованием преобразований Фурье.

4. Верификация ЦС с учетом эффектов взаимного влияния сигналов цепей и пульсации в системе электропитания вычислительных комплексов.

Объектом исследования являются высокопроизводительные вычислительные устройства и технология автоматизации проектирования с целью обеспечения ЦС. Предметом исследования являются элементы базовой технологии моделирования вычислительных и электронных устройств.

Методы исследования базируются на аналитических расчетах с использованием физических законов электродинамики, компьютерном моделировании электромагнитных процессов в цепях вычислительных устройств, экспериментальном анализе распространения сигналов в образцах разработанных модулей и моделей. Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Научно обоснована технологии моделирования для обеспечения ЦС при проектировании высокопроизводительных вычислительных устройств, основанная не на усложнении электрических моделей межсоединений, а на определении параметров модели на основе реальных измерений, по максимальному совпадению модельных и измеренных переходных процессов.

2.Разработана методика и программно-аппаратные решения, обеспечивающие повышение точности совпадения осциллограмм до 3% по сравнению с существующим уровнем в 510% сопоставления по заданному критерию модельных и реальных значений параметров сигнала.

3. Предложены методы обеспечения ЦС субнаносекундного диапазона в многослойных печатных платах с учетом эффектов взаимного влияния сигнальных цепей и пульсаций в системе электропитания с увеличением количества контролируемых контуров до 3 видов (существующие методы функционируют с одним контуром).

Практическая ценность определяется моделями и алгоритмами, которые позволяют существенно повысить точность и надежность прогнозирование переходных процессов в линии передачи быстродействующих схем микроэлектроники.

Результаты исследований, выполненных по теме диссертации, применялись в практических разработках научно-производственных организаций и компаний ООО «РК -Телеком», «НИИ Супер ЭВМ», ООО «АСС-инжиниринг».

Область исследования соответствует специальностям: 05.13.05 - элементы устройства вычислительной техники и систем управления, паспорт специальности п.1, 3,4. Результаты, выносимые на защиту

1. Результаты анализа современного состояния и тенденций развития в конструировании и технологии изготовления межсхемных соединений с целью создания общей системы обеспечения ЦС при проектировании вычислительных систем.

2. Верификация АПКМ как средство системного проектирования, выбора и обоснования рациональных технических решений для большого количества функционально сложных вычислительных устройств.

3. Результаты моделирования формы импульсных сигналов в линиях связи с потерями.

4. Верификация модели обеспечения целостности сигналов в МПП, с учетом эффектов взаимного влияния сигналов цепей и пульсации в системе электропитания.

Достоверность выводов и рекомендаций обусловлена корректностью применяемых математических преобразований, отсутствием противоречий с известными фактами теории и практики автоматизированного проектирования.

Апробация. Результаты диссертационной работы изложены в ряде печатных публикаций, докладывались на всероссийских и вузовских научных конференциях.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 10 печатных работ, из них 5 публикации в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ, патенты.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения (125 стр.). Список литературы 107 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулирована цель и аргументирована научная новизна исследований, показана практическая значимость полученных результатов. Дана краткая характеристика содержания работы.

Первая глава посвящена анализу проблем ЦС и методов их исследования, направленных на создания перспективных технологий моделирования и получения оптимальных межсхемных соединений высокопроизводительных вычислительных комплексов. Анализ целостности сигналов можно условно разделить на 3 этапа - анализ кристалла микросхемы, корпуса микросхемы, печатной платы. Проблемы, возникающие на этих этапах, зачастую схожи, но существует ряд принципиальных особенностей, которые не позволяют эффективно анализировать кристалл, корпус и печатную плату в рамках единого САПР (EDA), но ведущие разработчики САПР ведут работы по возможности интеграции этих процессов. На сегодняшний день чаще всего отдельно анализируется кристалл и корпус, а затем данные анализа в виде поведенческих моделей IBIS импортируются в САПР для анализа печатных плат. Стоит отметить, что при таком маршруте проектирования невозможно точно проанализировать все проблемы, которые могут возникнуть в кристалле и в корпусе, особенно, при взаимодействии микросхемы с печатной платой (из-за неидеальности систем заземления и питания, возможных наводок от других микросхем на плате). Получение точных моделей кристалла на транзисторном уровне, таких как SPICE-моделей чаще всего является невозможным, так как это является объектом коммерческой тайны производителя. В том случае, когда производитель микросхем сам пытается тестировать свои кристаллы в готовых изделиях, то он сталкивается с проблемой необходимости использования огромных вычислительных ресурсов. На каждом из перечисленных этапов анализ целостности сигналов можно разделить на предтопологичесский (pre-layout) и посттопологический (post-layout) анализ. В работе исследуются и разрабатываются

модели по предтопологичесскому анализу. Эта работа, являющаяся одной из целей диссертации, состояла в исследовании основных проблем ЦС, таких как разрушение сигналов, взаимное влияние сигнальных цепей и пульсаций в цепях электропитания и поиску методов их анализа. Анализ имеющихся в литературе данных, а также опыт проектирования ЭВМ показывает, что радикальный способ уменьшения влияния коммутирующих цепей на задержку передачи информации, состоящий в сокращении длины проводников и минимизации искажений формы логических сигналов, зависит от возможности совместной реализации комплекса противоречивых электронных, конструктивных и технологических требований к элементам монтажа: максимальная плотность печатного монтажа; согласование линий связи; однородность всего тракта передачи; высокая степень экранирования сигнальных линий; эффективность фильтрации цепей электропитания; необходимость максимального использования скоростных свойств логических элементов субнаносекундного диапазона вынуждает разработчиков постоянно совершенствовать методы реализации указанных требований. Резервы в этом направлении, заложены в разработке и постоянной модернизации пакета программ машинного моделирования переходных процессов при прохождении сигналов в межсхемных соединениях с учетом конструктивно-технологических характеристик реальных линий связи на всех конструктивных уровнях проектируемого устройства. С другой стороны, методы проектирования линий передачи должны быть основаны на достаточно простых конструктивно-технологических приемах для оперативного принятия проектных решений, т.к. сроки разработки аппаратуры иногда, оказывают решающее влияние на целесообразность ее использования. На уровне модулей и блоков успешному согласованию электронных и конструктивных требований способствует развитие многослойного печатного монтажа. Однако, даже с помощью прецизионных, полосковых МПП невозможно обеспечить абсолютное согласование линий связи с нагрузкой из-за наличия в реальных связях нерегулярных неоднородностей типа переходных отверстий, ортогонального сигнального слоя, контактных площадок и др., определяющих конструктивный разброс волнового сопротивления, а также из-за технологического разброса конструктивных параметров печатных линий. Причем, в МПП с максимальной плотностью печатных линий конструктивный разброс волнового сопротивления сигнальных проводников соизмерим с технологическим разбросом, что заставляет учитывать влияние конструктивных неоднородностей при расчете геометрии МПП. Основным методом использованного в работе теоретического анализа явилось компьютерное моделирование. Оно позволило получить необходимые данные в тех случаях, когда задача сводилась к анализу электромагнитной структуры (отдельных фрагментов и типовых решений вычислительной системы) или получению удовлетворяющих по точности характеристик системы (уровня перекрестных помех, падения напряжения и других) на базе идеализированных примеров. При невозможности или недостаточной результативности теоретических выкладок используется экспериментальный метод анализа целостности сигналов. В частности, внесение помех в сигнальные цепи позволило изменять степень и параметры проявления изучаемого паразитного эффекта, выявить «узкие» места, нарушающие устойчивую работу системы. Могут быть использованы экспериментальные методы получения достоверных данных о параметрах системы питания вычислительных модулей. В итоге, задача анализа сохранения целостности логических сигналов при их распространении в межсхемных соединениях распадается на четыре относительно независимых модуля: 1. Моделирование помех отражения и взаимной связи сигнальных линий печатного монтажа; 2. Влияние стабильности технологического процесса производства МПП на временные потери передачи логических сигналов; 3. Моделирование процесса помехообразования в цепях электропитания; 4. Моделирование искажений фронта в длинных линия с учетом скин-эффекта; Все четыре блока имеют непосредственное отношение к задаче оптимального проектирования устройств ЭВМ предельного быстродействия. В системе сквозного

проектирования, каждый пакет может работать независимо друг от друга. Причем, этот каждый из модулей должен постоянно пополняться и совершенствоваться т.к. в противном случае библиотеки устаревают, и теряется совместимость с новыми технологиями. В работе автором подробно рассмотрены модели 3-4 вида.

Во второй главе представлены материалы по верификации базовой технологии моделирования с использованием инструментальной базы АКПМ.

Базовая технологии моделирования межсхемных соединений может быть использована в системе автоматизированного проектирования электронных систем и комплексов. Совместно с аппаратно - программным комплексом моделирования (АПКМ) проверяется и контролируется качество и соответствие требуемым параметрам изготовленные образцы многослойных печатных плат. АПКМ может быть полезен также при контроле некоторых типов ячеек, модулей и других электронных устройств. Разработанные на основе указанной технологии моделирования межсхемных соединений программные средства, а также аппаратно-программный комплекс, предназначены, прежде всего, для проектирования средств вычислительной техники, где особенно актуальны решение таких задач, как максимальное использование скоростных свойств логических элементов субнаносекундного диапазона. Также эти средства могут быть использованы в других радиоэлектронных устройствах, где немаловажным является проблема помехозащищенности от влияния коммутирующих цепей, от взаимного влияния проводников металлизации и других элементов монтажа. Предлагаемая технология моделирования межсхемных соединений основана на определенных параметрах модели на основе реальных измерений по максимальному совпадению пролонгированных измеренных переходных процессов. Программная часть комплекса отвечает за моделирование, а аппаратная - за измерение переходных процессов. Достоинством технологии является подход к определению параметров модели и реализация параметров модели по заданному критерию. Основные требования к параметрам технологии моделирования межсхемных соединений в системе автоматизированного проектирования вычислительных систем и комплексов приведены в таблице № 1, погрешность моделирования определяется самой моделью - насколько она в полном объеме отражает основные физические процессы. Применение базовой технологии моделирования межсхемных соединений в системе автоматизированного проектирования вычислительных систем и комплексов обеспечит более качественное решение ряда технических задач, как повышение скоростных свойств логических элементов субнаносекундного диапазона, другими словами, производительности, помехозащищенности, оптимизации конструкции ячеек, модулей и комплексов. Аппаратно - программный комплекс моделирования представляет собой устройство, состоящее из несущей конструкции, в состав которой могут входить процессорные модули, в том числе одноплатный компьютер, измерительные приборы и съемный набор тестовых плат эталонных линий передачи. Структурная схема моделирования (АПКМ) межсхемных соединений приведена на рисунке 2, а на рисунке 1 представлен АПКМ в развернутом виде.

Таблица № 1

№ Наименование параметра Значение

1 Точность измерения (расчета) первичных, электрических характеристик элементов конструкции включая выводы ИС, разъемы, пассивные компоненты и др., %, не хуже 1-3

2 Точность прогнозирования параметров помех отражения и перекрестных помех, %, не хуже 3

3 Точность прогнозирования параметров помех по питанию, %, не хуже 3

4 Точность прогнозирования амплитудных и временных потерь в интерфейсных линиях связи, %, не хуже 5

! |

Рис. 1 - АПКМ в развернутом положении

Рис. 2 -Структурная схема АПКМ Неотъемлемой частью АПКМ является микромодули. В микромодулях наглядно отражается влияние элементом монтажа на общую целостность логических сигналов. Показано, что технология автоматизированного анализа ЦС в многослойных печатных платах - конкурентоспособна, обеспечивает частичное импортозамещение программы НурегЬупх компании МепюЮгарЫсз .

Третья глава посвящена верификации методов моделирования формы импульсных сигналов в линиях связи с потерями. Предтопологический анализ прохождения сигналов по линиям связи в составе печатных плат - необходимый этап при проектировании современных высокопроизводительных вычислительных устройств. Проектировщику важно оперативно оценить вопросы сохранения целостности логических сигналов и определить параметры линий связи. Единую модель межсхемных соединений сделать невозможно из-за разнообразия конструктивных параметров и физических процессов, протекающих в линиях связи. Альтернативой является создание простых моделей для разных вариантов линий связи и элементов монтажа. Синтез таких моделей для конкретной схемы позволит оценить общую целостность сигналов в разрабатываемой печатной плате. Рассмотрена модель полосковой (вШрНпе) электрически длинной

сигнальной линии (рис.3), т.е. линии, для которой выполняется неравенство: I >

Где: Тг - время нарастания фронта сигнала - не; Тс1 - удельное время задержки сигнала в линии - нс/м; Ь - длина линии

I I:

1±

тт

Рис.3 Полосковая линия

\у - ширина линии, I - толщина линии, И - заглубление.

При распространении по линии сигнала с крутым фронтом в конце линии он будет иметь более пологий фронт и меньшую амплитуду. Это происходит из-за потерь в линии передачи. Потери в проводниках для высокочастотных приложений - принципиальная проблема сохранения целостности сигналов. Потери имеют частотную зависимость, при этом высокочастотные составляющие сигнала ослабляются больше, чем низкочастотные. Связь между величиной затухания (уменьшения амплитуды), сдвигом фазы и частотой сигнала на расстоянии X описывается выражением:

Где Я- погонное последовательное сопротивление линии, ом/дм;

Ь - погонная последовательная индуктивность линии, гн/дм;

С - погонная параллельная емкость линии, ф/дм;

в - погонная параллельная проводимость линии, см/дм;

X - расстояние от входа линии до точки наблюдения;

Н - комплексная функция зависимости амплитудной и фазовой характеристики линии передач от частоты со =

Для печатных плат, работающих на частоте не выше 1 ггц, можно принять 0=0.

Тогда выражение (1) можно упростить:

Н х (со ) = е

(2)

и разложить выражение (2) на вещественную и мнимую составляющую:

н х (а>) = е

_ -X Яе[(Я+ут1.)ОсаС)У

-ух 1т Ця+У^ХусоС)]"2

(3)

Из этого уравнения определяем коэффициент затухания в децибелах на единицу длины:

Re[(R + jcoL)(jcoC)}V2 (4)

и сдвиг по фазе на частоте оэ в радианах на единицу длины: -jXlxr{{R + jwL){jwC)}XI2

е w/

Для каждого электрического параметра следует учитывать частотный диапазон, в котором он применим. Последовательное активное сопротивление является функцией частоты. На низких частотах активное сопротивление остается постоянным и может быть вычислено по формуле

_ 0,65866x10"6 ,,Л

R =--(6)

WT

Где R - последовательное погонное сопротивление печатной дорожки, ом/дм; W - ширина печатной дорожки, дм; Т - толщина печатной дорожки, дм.

При постоянном токе и на низких частотах распределение тока по сечению проводника будет равномерным, с повышением частоты ток начинает вытесняться на поверхность проводника (скин-слой). Это явление называется скин-эффектом. С ростом частоты площадь сечения проводника, по которой течет ток, уменьшается, а сопротивление линии - увеличивается.

Когда глубина скин-слоя становится меньше радиуса (толщины) проводника погонное сопротивление проводника начинает расти пропорционально корню квадратному частоты.

В этой области погонное активное сопротивление проводника определяется выражением:

Где R - погонное высокочастотное сопротивление проводника, ом/дм;

рг - относительное удельное сопротивление материала проводника по отношению к удельному сопротивлению меди; f- частота, гц; D - диаметр проводника.

Для полосковой линии длина окружности по периметру полосковой линии: 2(t+w)

На низких частотах выражение (7) будет давать нулевой результат, поэтому для вычисления погонного сопротивления проводника будем учитывать формулу (6):

Я(/) = {(Яос)2 + [Ллс(/)]2}'/2

Чтобы вычислить коэффициент затухания и сдвига фаз нужно определить Lo и Со. Вычисления значений Lo и Со для полосковых линий по их конструктивным параметрам берутся из американских стандартов IPC, поскольку используемые источники также опираются на эти стандарты.

= (9) Z0 [ohms)

Г ,(/»/('л) =1000

(11)

фИНп)=^Ы,т^1С°{рРПп) (10) п ' 1000

V 12(''") ,

Где Трс1 - удельное время задержки сигнала в линии.

Подставив выражения 8,10,11 в 4, 5 получим зависимость коэффициента затухания и фазового сдвига в полосковой линии от частоты гармоник, составляющих входной сигнал.

Дальнейший анализ полосковой линии высокоскоростной передачи сигнала проводится с использованием метода частотного моделирования. Этот метод предполагает, что линия связи должна подчиняться принципам линейности и суперпозиции. Т.е линия должна быть однородна, согласована на обоих концах или иметь на конце разрыв или короткое замыкание.

Для частотного анализа и упрощения расчетов можно использовать быстрое преобразование Фурье - БПФ (рис.4).

Временные функции

Частотные функции

Свертка временных функций (линейная фильтрация)

/

х(о * ад = у(1) ♦ ♦ *

Отношения преобразования Фурье-------у----у----у-----

* * *

Х(а) х Н(а) = У(ш) \

Перемножение частотных функций

Рис 4. Применение преобразования Фурье в частотном моделировании.

По известным входному сигналу х (I) и импульсной характеристике фильтра 1г(1) можно рассчитать выходной сигнал у(1) ■ Д-™ этого сначала нужно выполнить преобразование Фурье функций х и Ь в частотные функции. Затем для всего диапазона частот (о найти произведение Х(в>) Н(а>) и преобразовать полученную в результате частотную функцию У (со) во временную функцию с помощью обратного преобразования Фурье. В нашем случае в качестве фильтра будем использовать коэффициент затухания (4) и фазовый сдвиг(5).

БПФ выполняется только при определенных значениях N. Наиболее распространенным вариантом алгоритма является алгоритм БПФ Кули-Тькжи (Соо1еу-Тикеу), который реализуется при N равном степени двух.

Чтобы применить БПФ необходимо задать два параметра: шаг квантования сигнала Д( и число отсчетов N =2лп.

Шаг квантования выбирается исходя из длительности и формы фронта сигнала: минимальное число отчетов при Гауссовом фронте, равно 4. Рекомендуемое число отсчетов - от 4 до 100.

Частота дискретизации будет равна: Г= 1/ДТ.

Частота К-того замера:

Ас = к*1Ш.

Выбранный период сигнала должен начинаться и кончаться одинаково - например, нулем.

Тестовый сигнал для моделирования возьмем со скважностью 2, предполагая, что запас по времени достаточен для стабилизации системы.

По выбранному периоду и частоте квантования определяем количество выборок : N = Т/М =2Лп

Если полученное N не кратно степени двойки, заполняем оставшиеся замеры нулями.

После выполнения прямого БПФ вещественные компоненты спектральных составляющих умножаем на коэффициенты затухания (4), а фазовые сдвиги (5) складываем с мнимыми компонентами, после чего выполняется обратное БПФ.

В качестве тестового сигнала модели используется сигнал с экспоненциальным фронтом и спадом, так как в реальных ситуациях из-за влияния емкостных нагрузок импульс имеет такие фронты.

IfАл

\\ 4

-

-02 0 02 04 06 08 Время

Рис.5 Тестовый сигнал с разными коэффициентами крутизны а

/(0=

0, i < о,

1-е-"

у, 0<t<tJ2,

о, t>t,

(12)

Где tc - период сигнала (время цикла);

а - коэффициент крутизны фронта и спада; v„- амплитуда сигнала.

Описанная модель длинной линии с потерями была реализована в системе графического программирования LabVIEW фирмы National Instruments. Автор предпочитает эту систему за ее прекрасные возможности инженерного программирования, хорошие математические библиотеки, возможности быстрого создания графических интерфейсов.

На рис.5 приведено графическое окно программы. На панели есть области задания геометрических параметров линии связи, параметров тестового сигнала, окно вывода

графиков. На график выведены рассчитанные в соответствии с заданными параметрами сигналы: тестовый сигнал (1) в начале линии связи; тестовый сигнал (2) в конце линии связи; тестовый сигнал (3) в конце линии связи, совмещенный с (1);

Результаты работы программы, реализующей описанную модель, сравнивалась с реальными результатами замеров (рис.7), выполненных на тестовой плате аппаратно-программного комплекса моделирования межсхемных соединений АПКМ, для линии связи длиной 115см, согласованной на входе последовательно, а на выходе - параллельно.

По амплитуде расхождение модели с реальными замерами составляет около 2%, по фазе (завал фронта) - 5 - 10%.

_!_-_II__

Рис.6 Осциллограмма сигнала на тестовой плате.

Рис.7 Модуль вычисления потерь в длинной линии связи.

Результаты моделирования были применены при разработке программы «Моделирование перекрестных помех с потерями», входящей в состав АПКМ.

Предложенный верификационный метод частотного моделирования может быть успешно применен как к частотно-зависимым потерям в линиях связи, так и для учета таких особенностей линий связи, как: отражения от источников сигнала, отражения от нагрузки, разброс волнового сопротивления по длине канала связи, влияния разъемов для печатных плат. Предложенная технология моделирования позволяет оценить точность

расчета переходных процессов межсхемных соединений путем совмещения с экспериментальными осциллограммами настроить параметры моделей и повысить надежность прогнозирования информационного обмена. Показано, что точность частотного и импульсного методов относительно эксперимента примерно одинакова. Указанные методы могут применяться для разработки моделей высокоскоростных линий связи субнаносекундного диапазона при проектировании высокопроизводительных вычислительных устройств.

Четвертая глава посвящена электронному проектированию шин разводки электропитания узлов и блоков вычислительных средств при групповом срабатывании логических элементов высокопроизводительных цифровых устройств на базе математических моделей простейших контуров второго порядка.

Моделирование переходных процессов в шинах электропитания можно проводить различными способами, например:

• Электронное макетирование;

• Машинное моделирование полной эквивалентной схемы системы;

• Машинное моделирование отдельных уровней «развязки» по упрощенной эквивалентной схеме;

• Оценочный расчет параметров помехи по питанию по приближенным формулам;

Приведенные методы перечислены в порядке убывания стоимости и увеличения доступности. Машинное моделирование полной эквивалентной схемы позволяет избежать значительных материальных затрат на физическое макетирование реальных цифровых систем. Недостатком этого метода являются значительные временные затраты на описание полной эквивалентной схемы при анализе различных вариантов построения шин электропитания, а также отсутствие наглядности влияния вариативности конструктивных параметров. В системе шин питания сложного цифрового устройства (в том числе модульной конструкции) можно выделить несколько независимых контуров второго порядка, соответствующих определенным звеньям «развязки» и отличающиеся собственной частотой колебаний. Такой подход позволяет получить, как точные математические модели переходных процессов в шинах электропитания цифровых схем, так и приближенные алгебраические выражения для инженерного экспресс анализа амплитуды помехи и необходимого количества и номинала «развязывающих» конденсаторов.

Например, ячеечный конструктив содержит три контура (Рис. 8):

• Первая ступень (высокочастотная): паразитная индуктивность «развязывающих» конденсаторов - емкость смежных слоев питания ячейки;

• Вторая ступень: индуктивность контактов питания разъемного соединителя -суммарная емкость керамических конденсаторов ячейки;

• Третья ступень (низкочастотный): индуктивность накладных шин питания до вторичного источника питания (ВИП) - суммарная емкость электролитических конденсаторов объединительной платы.

Наиболее высокочастотные контура расположены вдали от источников питания, в непосредственной близости от схем-потребителей, представляющих для контуров генераторы перепадов тока с конечными фронтами.

Цимн Яимн

Шина до ВИП

'О

ВИП

импульсный ток одного вентиля;

- количество синфазно срабатываемых вентилей; сопротивление открытого канала КМОП транзистора;

■ емкость одного керамического конденсатора; емкость слоев питания и "земли" ячейки (модуля);

■ индуктивность выводов конденсатора;

• количество "керамики" на ячейке;

- индуктивность контактов питания соединителя;

- количество пар "земля-питание" соединителя; емкость электролита на объединительной плате; активное сопротивление электролита;

кол-во электролитов на объединительной плате;

• индуктивность шин вторичного электропитания;

• сопротивление шин электропитания.

Высокочастотный контур

Ф1

Среднечастотный контур

Низкочастотный контур

Рис. 8. Преобразование полной эквивалентной схемы системы электропитания ВПМ в простейшие контура второго порядка.

При импульсном воздействии тока в контуре возбуждаются колебания напряжения с частотой примерно равной резонансной частоте

контура О)0 = 1 / / и амплитудой пропорциональной волновому

сопротивлению контура Z0 = . Данную цепь можно рассматривать

независимо от остальной схемы, если модуль емкостного сопротивления керамических конденсаторов на резонансной частоте контура много меньше волнового сопротивления,

т.е. если выполняется неравенство: |-^Скер | = ^/\)шо^--кер^кер| ^Оз«- После

подстановки и преобразования неравенство упрощается: Скер » См, что всегда

выполняется, если подводка питания до логики осуществляется с помощью пары сплошных, соседних слоев МПП. В этом случае, анализ ВЧ контура можно проводить по упрощенной схеме (Рис. 8).

Суммарная емкость керамических конденсаторов представляет собой емкостную реактивность в более низкочастотном контуре, который относится к следующей ступени

«развязки» и включает в себя индуктивность питающих контактов соединителя ячейки (модуля) (СЧ - контур).

Для того, чтобы рассматривать эту цепь, как независимую, необходимо выполнение следующих условий:

Во-первых, резонансная частота СЧ контура должна быть достаточно низкой, для того, чтобы индуктивное сопротивление выводов конденсаторов не оказывало влияния на параметры переходного процесса, что соответствует:

I-

Ккер| = |;^кер/Мкер| « ¿Ос. = ¡¿еовд/(Смр " ^нер)- (13)

В практических схемах это неравенство всегда выполнимо, т.к. индуктивность соединителя на один - два порядка больше эквивалентной индуктивности выводов керамических конденсаторов.

Во-вторых, собственная резонансная частота СЧ - контура должна быть достаточно высокой, чтобы емкостное сопротивление конденсаторов на объединительной плате не оказывало влияния на работу контура. Это условие, безусловно, выполняется, если на объединительной плате применяются танталовые чип-конденсаторы.

Наиболее низкочастотный контур (НЧ) образуется паразитными параметрами блочных шин питания - индуктивностью и активным сопротивлением, а также параметрами электролитических конденсаторов - суммарной емкость и активным сопротивлением электролита. В данном случае ни одним паразитным параметром пренебречь нельзя, т.к. их величина соизмерима с волновым сопротивлением НЧ -контура.

Результирующий переходной процесс представляет собой суперпозицию переходных процессов в каждом из трех контуров. Момент суммирования зависит от алгоритма выполняемой программы.

Для каждого из контуров получены аналитические выражения, описывающие переходные процессы в них при возбуждении импульсами тока с конечной длительностью фронта.

На рис. 9 представлена расчетная кривая переходного процесса в высокочастотном контуре при групповом срабатывании КМОП элементов. Программа анализа цепей питания автоматически вычисляет максимальную амплитуду и длительность помехи питания.

Форма переходного процесса после окончания фронта, но до окончания импульса рассчитывается, как разность функций:

А'л;,„(гф 2 Г < 2Гф) = А',ин(г) - 2А'ЛИИ(Г- Гф). (14)

После окончания действия импульса переходной процесс представляет собой суперпозицию трех функций (рис. 9):

Ки(с > 2Гф) = Я„(0 - 2Ки{г - гф) + ки{1 - 2гф). (15)

Особенность воздействия на параллельный контур импульса треугольной формы -размах колебаний после спада может превышать амплитуду первой полуволны, что определяется соотношением фронтов и периода колебаний.

0.4

0.2

КиНТ(1)

0

Ки2№(1)

"0.2

-0.4

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

I

Т

Рис. 9. Реакция параллельного контура на импульс тока треугольной формы.

В рамках работы разработана программа анализа цепей питания (ПАЦП) в составе

АПКМ.

Основной задачей программы программа анализа цепей питания (ПАЦП) является, обеспечение математической базы для оптимизации конструктивно-технологических параметров цепей электропитания ВПМ включая:

• Емкость слоев питания и «земли» базового конструктива ячейки;

• Количество и номинал фильтрующих конденсаторов базового модуля;

• Количество пар контактов питания и «земли» разъемного соединителя;

• Количество и номинал электролитических конденсаторов на объединительной

панели.

Программа позволяет моделировать переходные процессы, развивающиеся на шинах электропитания импульсных устройств в режиме осциллографа, а также степень их влияния на задержку и помехозащищенность сигнальных линий передачи.

Графический интерфейс информирует разработчика о вероятной величине и длительности помехи по цепям электропитания.

Программа построена по блочному принципу по количеству вероятных контуров проектируемого устройства. Каждый блок может работать независимо друг от друга. Такое построение программы позволяет анализировать цепи электропитания устройств, как ячеечной, так и модульной конструкции, включая моноплатный конструктив.

Предложенная модель реализована в составе АПКМ и позволяет произвести расчет и измерения переходных процессов в контурах электропитания при импульсном изменении тока потребителя (режим «помехи по питанию»). Предложенный метод программно согласуется со стратегическим направлением развития отечественной технологией проектирования и обеспечивает точность совмещения экспериментальных и расчетных осциллограмм помех по питанию в пределах 3-х процентов.

Блок-схема алгоритма анализа переходных процессов в цепях питания цифровых устройств на рис. 10. Все три модуля имеют, примерно, одинаковую структуру.

Основные результаты и выводы работы

1. Диссертационная работа содержит новое решение актуальной научной задачи -получения научно-обоснованных технических решений создания коммуникационных соединений при использовании базовой технологии обеспечения ЦС для высокопроизводительных вычислительных систем.

2. Показано, что технические и эксплуатационные характеристики высокопроизводительных вычислительных систем во многом определяются конструкцией коммутационных (межсхемных) соединений и технологией их получения с использованием моделирования.

3. Предложенная верификация АКПМ как инструментальная база моделирования позволяет повысить точность и надежность прогнозирования переходных процессов за счет внедрения двух операций: операция контроля точности модели и операция коррекции постоянных коэффициентов модели для контрольных линий передачи МПП. Предложенная технология моделирования позволяет оценить точность расчета переходных процессов путем совмещения с экспериментальными осциллограммами и контроль параметров модели в пределах 3-х процентов.

4. Разработана инструментальная база моделирования и контроля переходных процессов в межсхемных соединениях на всех конструктивных уровнях проектирования вычислительных комплексов.

5. Исследовано влияние конструкции и технологии многослойного печатного монтажа на ЦС и задержку передачи информации. Разработан алгоритм и модели для расчета геометрии МПП на заданное волновое сопротивление в условиях конструктивных неоднородностей. Предложена методика допускового анализа конструктивных и электрических параметров МПП для вычислительных комплексов.

6. Исследованы искажения импульсных сигналов в длинных линиях передачи с потерями. Разработан метод экспресс-анализа временных и динамических потерь в печатных и кабельных линиях связи из-за искажения фронтов в результате воздействия скин-эффекта. Обоснованы критерии выбора тапа кабеля в зависимости от скорости и типа передачи с использованием микромодуля.

7. Предложены методы обеспечения ЦС субнаносекундного диапазона в многослойных печатных платах с учетом эффектов взаимного влияния сигнальных цепей и пульсаций в системе электропитания с увеличением количества контролируемых контуров до 3 видов (существующие методы функционируют с одним контуром).

8. Разработанная базовая технология совместно с верифицированным аппаратно -программным комплексом моделирования (АПКМ) позволяет также проверять и контролировать качество и соответствие требуемым параметрам изготовленные образцы многослойных печатных плат вычислительных комплексов.

9. Практическая ценность работы определяется моделями и алгоритмами, которые позволяют существенно повысить точность и надежность прогнозирование переходных процессов в линии передачи быстродействующих схем микроэлектроники.

10. Результаты исследований, выполненных по теме диссертации, применялись в практических разработках научно-производственных организаций и компаний ООО «РК -Телеком», «НИИ Супер ЭВМ», ООО «АСС-инжиниринг».

11. Результаты выполненной работы позволяют обеспечить практическую возможность разработки отечественных конкурентоспособных вычислительных систем имеющих оптимальные коммутационные соединения с высокими техническими характеристиками.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

Статьи в журналах га списка ВАК

1. Полежаев М.О. Модели диффузии при прогнозировании динамики распространения инновационных технологий [текст] / Марченков А.Е.// Динамика сложных систем. - 2012. - № 1. - С. 68-72

2. Полежаев М.О. Системный подход по выбору экономических показателей для оценки инновационного потенциала телекоммуникационной компании [текст] /Дытыненко П. Н //Динамика сложных систем. №3,2012 Стр.66-70

3. Полежаев М.О. Аппаратно-программный комплекс моделирования межсхемных соединений высокопроизводительных систем, [текст] / Колесников М.А., Чудинов С.М. // Вопросы радиоэлектроники. Серия ЭВТ - 2014. - Выпуск 2. с.56-67

4. Полежаев М.О .Актуальные проблемы моделирования межсхемных соединений при разработке САПР высокопроизводительных ЭВМ. [текст] / Колесников М.А.// Вопросы радиоэлектроники. Серия ЭВТ - 2014. - Выпуск 2. с.68-76

5. Полежаев М.О. Сравнение методов построения моделей длинных линий связи с потерями для проектирования высокопроизводительных вычислительных устройств. Научный журнал «Динамика сложных систем», г. Москва. - 2014. - № 2. - С.67-70.

Публикации в научных журналах и сборниках трудов научных конференций

6. Полежаев М.О. Защищенный ведомственный центр управления информационной системы, [текст] статья / Марченков А.Е. //«Вестник МАРТИТ» № 1 2009 стр. 89-92

7. Полежаев М. О. Метод использования моделей информационной безопасности, [текст] доклад / Раков С.Б. // Сборник трудов Второй Международной конференции «НИУ БелГУ» стр. 508-513

8. Полежаев М.О. Подходы по выбору плис при проектировании вычислительных устройств для обработки изображений. / С.М. Чудинов, И.В. Зуев // Доклад на конференцию НСКФ-2014 г. Переславль - Залесский. 12 стр.

9. Полежаев М.О. Использование производительности плис для обработки изображений земной поверхности. / С.М. Чудинов, И.В. Зуев // Доклад на конференцию НСКФ-2014 г. Переславль - Залесский. 9 стр.

10. Полежаев М. О. Унифицированные электронные модули для решения задач цифровой локации в реальном масштабе времени. / С.М. Чудинов, И.В. Зуев //Доклад на конференцию НСКФ-2014 г. Переславль - Залесский. 10 стр.

Авторские свидетельства.

11. Полежаев М. О. Патент на полезную модель № 106402 Пульт радиооператора с возможностью коммутации «ВЕКС» Игнатьев А.П., Кривошеее О.Н., Кардашев E.H.

12. Полежаев М.О. Патент на полезную модель № 108253 Мобильный узел связи регионального центра по чрезвычайным ситуациям «ВЕРЕСК» (МУС ЧС) Игнатьев А.П., Кривошеев О.Н., Кардашев E.H.

ФГУП "Научно-исследовательский и экспериментальный Институт автомобильной электроники и электрооборудования" Тираж 100 экз. Заказ 86/д Подписано в печать 23.10.2014