автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Разработка математического и прикладного программного обеспечения системы временной верификации проектов специализированных КМОП БИС

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

Р Г 6 ОД

2 6 ¡¡¡ОН 13^ На правах рукописи

Экз. N

КОНДРАТЬЕВ СЕРГЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОГО И ПРИКЛАДНОГО ПРОГРАММНОГО

ОБЕСПЕЧЕНИЯ СИСТЕМЫ ВРЕМЕННОЙ ВЕРИФИКАЦИИ ПРОЕКТОВ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫХ КМОБ БИС

Специальность - 05-13.12 "Системы автоматизации проектирования"

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1995

Работа выполнена на кафедре "Проектирование и конструирование интегральных микросхем" Московского государственного института электронной техники.

Научный руководитель: кандидат технических наук,

доцент Ермак В.В.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Беляков Ю.Н.,

кандидат технических наук, доцент Хузин И.М.

Ведущая организация: Институт Точной Технологии и

Проектирования, г.Москва

Защита состоится "_"_1995 г. в _часов

в аудитории_ на заседании диссертационного совета

Д.053.02.01 при Московском государственном институте электронной техники по адресу: 103499, Москва, К-498.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного института электронной техники.

Автореферат разослан " 06_1995 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н., профессор

Н.В.Воробьев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность теш. В настоящее время к проектированию и изго-яию специализированных КМОП БИС (СпЕИС) предъявляются высокие вания по сокращению сроков и стоимости получения работоспособ-образца с первой проектной попытки. На это непосредственно на-втап временной верификации в маршрутах проектирования СпБИС. ременной верификацией понимается процедура окончательной и верной проверки на соответствие требованиям технического зада-инамических характеристик проектов СпБИС с учетом влияния то-ии и внешних факторов. Необходимость создания специализирован-редств, комплексно решающих задачи временной верификации про-СпБИС, вызывают следующие основные причины.

1. Уменьшение жизненного цикла целевой аппаратуры и, как твие, необходимость сокращения сроков проектирования исполь-х в ней СпБИС.

2. Значительный рост влияния межсоединений с переходом на суб-нные технологические нормы. Так, например, доля задержки сиг-

в межсоединениях достигает порядка 50-80Я& в общей задержке

3. Необходимость автоматического построения и параметрической ификации моделей БЭ ввиду их большой сложности, а также высо-ероятности внесения в параметры труднообнаруживаемых ошибок.

4. Стремление разработчиков к более полному использованию по-альных ресурсов базовой технологии, например, путем уменьшения нных защитных интервалов, что позволяет проектировать СпБИС с льными рабочими частотами.

Основной недостаток существующих методов и средств временной мкации состоит в том, что они допускают достаточно высокую ве-;ость пропуска неработоспособных проектов на стадию изготовле-;орогостоящих образцов СпБИС, и прежде всего из-за низкой точ-[ моделирования БЭ и межсоединений.

Таким образом, задача разработки моделей элементов СпБИС, ые-I и средств для достоверной и вффективной временной верификации :тов СпБИС с учетом топологии и всех существенных факторов ¡тся актуальной.

Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка (этического и программного обеспечения интерактивно-графической >мы временной верификации проектов СпБИС, в т.ч. работающих на )льных тактовых частотах.

Методы исследования. Для теоретического и практического реше-

ния поставленной задачи использовались: теория электрических цепей теория обыкновенных дифференциальных уравнений и методы численного решения их систем; булева алгебра; дифференциальная геометрия и векторный анализ; теория построения СУБД; методы и алгоритмы машин ной графики. Эффективность разработанного математического и программного обеспечения проверялась вычислительными экспериментами.

Научная новизна работы состоит в следующем.

1. Проведен анализ систем и методов решения задачи временной верификации проектов СпБИС и обоснована необходимость применения для ее решения методов временного логического моделирования. Исследованы факторы, существенно влияющие на работу КМОП ЕЭ, и определен характер этого влияния.

2. Разработана обобщенная табличная макромодель БЭ, предназначенная для временной верификации проектов СпБИС и отличающаяся от известных достаточно высокой точностью, достигаемой за счет уче та всех основных факторов, влияющих на статические и динамические характеристики БЭ.

3. Предложен метод препроцессорной подготовки временного логического моделирования СпБИС, позволяющий существенно сократить вычислительные затраты за счет проводимой до моделирования индивидуальной настройки табличных макромоделей БЭ с учетом топологии их межсоединений и режимов работы в схеме.

4. Реализован алгоритм временного логического моделирования, основанный на событийном подходе и обеспечивающий, в отличие от известных, работу с непрерывными осями время/напряжение и точность сравнимую со схемотехническим, а вычислительные затраты - с логическим моделированием. Предложена модификация алгоритма, обеспечивающая более эффективную обработку событий.

5. Разработаны подсистема и методика оперативной параметричес кой идентификации табличных макромоделей БЭ, позволяющие автоматически формировать описания макромоделей и оптимизировать эти описания по критериям: затраты памяти - точность моделирования.

6. Разработаны основные программные компоненты системы време! ной верификации проектов СпБИС, в том числе: графический схемный редактор, графический редактор входных сигналов, программа временного логического моделирования, постпроцессор обработки результате моделирования.

Практическая значимость. Разработанные в диссертации методы, модели и алгоритмы реализованы в рамках персональной системы временной верификации СпБИС на ЭВМ с платформой 1x86. Система обеспе-

чивает решение основных практических задач этапа временной верификации СпБИС, что позволяет ее использовать в промышленных маршрутах проектирования СпБИС.

Внедрение результатов исследований. Разработанная система временной верификации СпБИС и ее отдельные компоненты внедрены на.трех предприятиях: Александровском радиозаводе, НИИГТ, заводе "ЭЛИОН"; система также используется в учебном процессе МГИЭТ с 1991г. и по настоящее время в нескольких учебных курсах.

Практическое использование разработанной системы в промышленности показало ее эффективность при аттестации библиотек элементов отечественных ВМК 1806ХМ1," 1515ХМ1 и 1537ХМ2, а также при проектировании и временной верификации матричных БИС на их основе. Внедрение системы обеспечивает увеличение производительности труда разработчиков СпБИС, а также повышение качества самих проектов.

Применение системы в учебном процессе повышает еффективноеть и качество обучения, а также способствует приобретении студентами практических навыков работы с современными САПР.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы, ее научные и практические результаты докладывались и обсуждались: на 6-ой Московской городской конференции по проблемам кибернетики и вычислительной техники (Москва, 1937г.); на семинаре "Математическое и машинное моделирование в микроэлектронике (ММММ-87)"(Паланга, 1987г.); на Всесоюзных научно-технических конференциях¡"Метода и средства создания полупроводниковых приборов и интегральных микросхем" (Рига, 1987г.); "Проблемная адаптация алгоритмического и информационного обеспечения САПР" (Киев, 1988г.); "Разработка и оптимизация САПР и ГАП изделий электронной техники на базе высокопроизводительных мини- и микро-ЭВМ" (Вороне?.«, 1989г.); "Актуальные проблемы создания интеллектуальных САПР РЭА и СБИС (САПР-89)"(Гурзуф, 1989г.); на семинаре "Рабочие станции на базе ПЭВМ для проектирования РЭА и изделий микроэлектроники"(Москва, 1990г.); на Международных конференциях: "М1огое1ео1;гоп1а'в 90" (Минск, 1990г.); "Приборы с зарядовой связью и системы на их основе" (Геленджик, 1992г.); на Межотраслевом экспертном совете ВШИ по содействию внедрению научно-технических достижений (Москва, 1994г.).

Публикации. Основные положения диссертации изложены в 22 печатных работах (в 13 статьях, 6 тезисах к докладам, 3 проспектах) и в 3 отчетах по НИР.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав с выводами по каждой главе, заключения, списка литературы из

189 наименований и 10 приложений. Работа содержит 207 страниц, в т.ч. 149 страниц основного текста, 38 страниц рисунков и таблиц, а также 182 страницы приложений, включающих 62 страницы рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ' РАБОТЫ

Во введении отмечается актуальность темы диссертационной работы и формулируется общая цель исследований. Рассматривается структура диссертации и указывается взаимосвязь отдельных глав.

В первой главе формулируются основные требования к средствам временной верификации исходя из того, что основной ее задачей в маршрутах проектирования СпБИС является оценка работоспособности проектов с учетом топологии и всех указанных в ТЗ условий эксплуатации и непропуск в производство неработоспособных проектов. В частности отмечается, что погрешность моделирования проектов СпБИС должна находиться в определенных пределах в зависимости от длительности перио'да тактовых сигналов: оценки показывают, что для получения достоверных результатов временной верификации отношение погрешности расчета задержек в моделях БЭ и межсоединений к периоду определяемой в ТЗ тактовой частоты не должно превышать порядка

Анализ известных отечественных и зарубежных методов и средств моделирования различит уровней показал, что они по совокупности показателей точности и быстродействия обладают различного рода ограничениями, делающими, в ряде случаев, невозможным их применение для временной верификации проектов СпБИС.

1. Методы схемотехнического моделирования (СхТМ), обладая наиболее высокой точностью, не обеспечивают проведение временной верификации проектов на реальном числе тестовых наборов, достигающем по продолжительности более 107 тактов.

2. Методы классического логического моделирования, обладая самым высоким быстродействием, далеки от реальных потребностей временной верификации по точности отражения переходных процессов.

3- Методы моделирования на переключательном уровне сочетают в себе как достоинства, так и недостатки методов двух вышеупомянутых уровней, а известные варианты их практической реализации непригодны для временной верификации проектов с учетом топологии на достаточно высоких тактовых частотах.

В диссертации обоснована целесообразность разработки средств временной верификации проектов в русле идеологии т.н. временного логического моделирования (ВЛМ) с учетом библиотечного блочно-ие-рархического принципа проектирования. Методы ВЛМ активно развиваются в последние годы как в отечественной практике, так и за рубежом.

Сохраняя основные особенности методов логического моделирования (например, событийность, структуру моделей БЭ), методы ВЛМ оперируют електрическими параметрами, свойственными СхТМ (например, пороговое напряжение, выходное сопротивление), что позволяет моделировать СпБИС с повышенной точностью при сравнительно небольших вычислительных затратах.Однако, известные реализации методов ВЛМ обладают относительно низкой точностью моделей БЭ и межсоединений при верификации проектов СпБИС с предельными рабочими частотами с учетом реального влияния топологии.

В заключение главы 1 ставятся задачи диссертационной работы:

1. Исследовать факторы, существенно влияющие на работу КМОП БЭ, и определить характер этого влияния.

2. Разработать модели основных типов КМОП БЭ, позволяющие адекватно учитывать все факторы, включая параметры межсоединений, существенно влияющие на статические и динамические характеристики БЭ.

3. Реализовать алгоритм асинхронного событийного логического моделирования, позволяющий учитывать влияние всех основных факторов, включая параметры межсоединений, и обладающий скоростными характеристиками, приемлемыми для временной верификации проектов СпБИС на реальном числе тестовых наборов.

4. Разработать структуру, алгоритмическое и программное обеспечение системы автоматической аттестации и параметрической идентификации моделей БЭ.

5. Практически реализовать разработанные методы, модели и. алгоритмы в рамках прикладного программного обеспечения экспериментальной версии персональной интерактивно-графической системы временной верификации проектов СпБИС.

Вторая глава посвящена исследованию степени и характера влияния факторов на статические и динамические характеристики КМОП БЭ, анализу и обобщению экспериментальных результатов, полученных на больших выборках БЭ ряда промышленных БМК.

Анализ показал, что на параметры БЭ оказывают существенное влияние такие факторы (во всех диапазонах их допустимого изменения), как:

- емкость нагрузки (Сн);

- длительность фронта входного сигнала В2; );

- способ переключения БЭ (Исп, под которым понимается бессбойное переключение какого-либо выхода БЭ импульсом (-ами) с амплитудой напряжения питания из состояния "О" в состояние "1" и обратно (либо наоборот) в соответствии с таблицей истинности).

По результатам проведенных оценок отмечается, что неучет любого из перечисленных факторов может привести к недостоверной временной верификации проектов, работающих на тактовых частотах более 5-Ю МГц.

Анализ характера влияния перечисленных факторов показал, что он является существенно нелинейным. При этом в зависимости от способа переключения параметры БЭ изменяются в достаточно широких диапазонах, которые весьма сложно спрогнозировать. Поэтому при параметрической идентификации макромоделей БЭ необходим перебор всех возможных способов переключения БЭ.

Для учета реальных нелинейных зависимостей параметров БЭ от всех существенных факторов предлагается использовать кусочно-линейную аппроксимацию, позволяющую упростить сложность моделей БЭ. Оценки показывают, что в допустимых диапазонах изменения, например, емкости нагрузки и длительности фронта входного сигнала оказывается приемлемой трехточечная кусочно-линейная аппроксимация, обеспечивающая среднюю погрешность порядка 10$.

В третьей главе предлагаются обобщенная табличная макромодель (ТММ) различных влементов СпБИС и методика ее параметрической идентификации. Анализируются результаты экспериментов по оценке точности ТШ как при моделировании отдельных БЭ, так и фрагментов СпБИС.

В основу построения ТШ положены кусочно-линейные уравнения, определяющие реакцию БЭ в зависимости от влияющих факторов в заданных диапазонах их изменения и позволяющие добиться высокой точности моделирования переходных процессов при сравнительно небольших временных затратах. ТШ является основной моделью БЭ в средствах временной верификации, предложенных в диссертации. В простейшем случае ТШ отдельных БЭ строятся и применяются тогда, когда можно пренебречь взаимовлиянием БЭ и межсоединений (например, при незначительном активном сопротивлении нагрузки и отсутствии передаточных вентилей на выходах БЭ или их монтажном объединении).

Статическими параметрами ТШ по каждому выходу БЭ являются: напряжения логических "О" и "1" (и°, и1); напряжение порога (11^); а динамическими параметрами - уровневая задержка (1; 3 ) и длительность линейного фронта выходного сигнала вцх). Зависимости параметров ТШ от влияющих факторов определяются кусочно-линейными функциями в многомерном факторном пространстве, дискретно задаются способом Исп и типом Итп (т.е. "0-1" или "1-0") переключения БЭ и имеют общий вид:

Ч.з. ■ ^Пф.ВХ.' Сн' КСП' КТП' исс *ф.вых - *а( *Ф.ВХ.' Сн- ИСП' Мтп- исс С )

ир и0 и1

М»«*' т- V5)

Мпео)

Мисс)

(3)

(4)

(5)

Построение функциональных зависимостей параметров ТММ осуществляется кусочно-линейной аппроксимацией их значений, идентифицированных в заданных диапазонах допустимого изменения влияющих на БЭ факторов, и для каждой из областей (в двухмерном случае - прямоугольных), образуемых пересечением прямых в точках с координатами, определяющимися значениями влияющих факторов.

Например, в двухмерном случае из 4-х возможных аппроксимирующих плоскостей в прямоугольной области выбирается не одна, а сразу две комплементарные плоскости (см.рис.1). Поэтому каждой параметрической функции в области будет соответствовать не одно, а два линейных уравнения, определяющих две пересекающиеся плоскости, и уравнение прямой, граничной между ними. Критерием оценки оптимального выбора комплементарной пары плоскостей из двух возможных вариантов считается направление градиента параметрической функции в контрольной точке, лежащей в правом верхнем углу области. Если угол V между градиентом и горизонтальной границей области находится в интервале [О, я/4], то выбирается пара плоскостей, показанная на рис.1. Если угол У превышает 7£/4 - альтернативная пара плоскостей. Применение данного критерия обусловлено характером реальных параметрических зависимостей БЭ, исследованных с помощью машинных экспериментов.

Основное отличие методики идентификации динамических параметров ТММ от известных аналогичных методик состоит:

- в выборе источника тестового воздействия, а именно генератора напряжения с экспоненциальным сигналом, в наибольшей степени соответствующим реальным сигналам в цепях КМОП-схем;

- в т.н. линейно-экспоненциальном способе аппроксимации выходных сигналов БЭ, в соответствии с которым участок фронта сигнала после пересечения им уровня "0.5" покрывается одновременно вкспонентой и прямой, касательной к ней в точке пересечения сигналом уровня "0.5" (см.рис.5). Пример вида уравнений зависимостей динамических параметров ТММ БЭ от влияющих факторов приведен в табл.2 (пояснения см. ниже).

В основе методики идентификации порогов переключения БЭ лежит построение статической передаточной характеристики (СИХ) по результатам СхТМ БЭ в квазистатическом рекиме для всех способов его переключения. Пороговое напряжение принимается равным напряжению на

Выбор пары комплементарных плоскостей в соответствии с направлением вектора grad Z

Рис.1

(пФ)

Таблица 1

Частота появления относительной погрешности расчета динамически параметров БЭ ЗИ-НЕ с помощью табличной макромодели

Диапазон величин относительной погрешности 0..5Ж 5..10% 10. .2095 20..50% более 50$

Частота появления относительной погрешности тох m 6% 1% 0%

переключающем входе БЭ в точке, соответствующей участку СПХ с максимальной крутизной. Вид уравнений зависимости пороговых напряжений от влияющих факторов аналогичен виду уравнений в табл.2.

Для наихудшего случая при трехточечной кусочно-линейной аппроксимации точность ТММ иллюстрирует табл.1 на примере БЭ ЗИ-НЕ (библиотека БМК.1537ХМ2), у которого имеется сильно выраженная нелинейность в зависимостях параметров от влияющих факторов. Так, в 87% случаев погрешность ТММ не превысила 10£ на всем диапазоне изменения входного фронта [1,200] не и емкостной нагрузки [0.1,20]пФ. Абсолютная погрешность в остальных 135£ случаев находится в диапазоне [1,3] не. Частоту появления нежелательных по величине погрешностей при наличии практической целесообразности и соответствующих ресурсов свободной оперативной памяти всегда можно уменьшить и свести к минимуму путем разбиения всего диапазона изменения факторов на дополнительные поддиапазоны. В втом смысле точность ТММ является управляемой, а сама ТММ - адаптивной.

Машинные эксперименты с фрагментами СпБИС на БМК '1515ХМ1, 1537ХМ2 показали, что временное логическое моделирование схем о применением ТММ БЭ позволяет определить максимальную рабочую частоту (£„,„,/) со средней погрешностью не более 10% относительно резуль-

^ .ПД У,'

татов СхТМ. Кроме того показано, что неучет длительности фронта входного сигнала в макромоделях БЭ ограничивает достоверность временной верификации частотами не более (0.2..а неучет способов переключения - .

[ш1А

В качестве примера на рис.2 показаны результаты схемотехнического и временного логического моделирования схемы "Исключающее ШШ" (БМК 1537ХМ2) для последовательностей переключений N3, N4 составляющих ее БЭ (см. временные диаграммы на рис.26). Результаты ВЖ представляют сигналы с линейными фронтами.

В четвертой главе рассматривается применение аналитической макромодели (АММ) БЭ, которую предложено использовать для сокращения вычислительных затрат на этапе препроцессорного формирования ТММ элементов СпБИС с учетом индивидуального влияния ИС-межеоедк-нений. Приводятся эквивалентная электрическая схема, система параметров АММ и методика их идентификации, а также оценки точности АММ отдельных БЭ и в целом точности моделирования схем с ее применением.

ТММ отдельных БЭ с емкостной нагрузкой требует усложнения в случае учета влияния РС-мексоеданений. Учет взаимовлияния БЭ и межсоединений проводится в рамках т.н. конгломератов, которые являются фрагментами СпБИС и могут включать: БЭ и межсоединения; обычные и

Схема "Исключающее ИЛИ" (а), временные диаграммы ее работы (б) и сравнение результатов временного логического и схемотехнического моделирования переходных характеристик в цепях схемы с номерами 5-8 (последовательности переключений: в - N3, г - N4). Погрешность расчета задержки выходного сигнала схемы - 5-8%% (0.3 - 0.5 не).

Рис.2

(1) (4)

а

Абсолютное время: 361.015 Относительное время: ЗЫ.015

Начало оси Т: 100.000 П5 11аг оси Т: 160.008 П5 ......»■.........1 .......... 1 ........

<ог.Ь2 3/" 6.600 4/ 0.601 *ог.Ь2 5/ 5.680 <ог. 12 6/ 5.800 <ог,Ь2 7/ 0.880 <ог.1<2 8/ 5,800

/ /1ф. = 10нс/ ->1ф.=50ис

^ Г ^

л. ( / У, \ 1 ^

1х V к у

Последовательности N1 N2 N3 N4

переключений:

б

передаточные вентили; монтажно объединенные по выходам БЭ и т.п. (см..например, выделенные пунктиром шесть блоков на рис.3). Конгломераты строятся таким образом, чтобы между ними или их влементзми отсутствовало взаимовлияние. Построение ТММ конгломератов осуществляется с учетом их индивидуального местоположения в схеме и на кристалле. При втом ТММ, сформированная, например, для БЭ 2И-КЕ в составе конгломерата 1 (ем.рис.З), в итоге будет определять некоторый модельный влемент с двумя входами и уже тремя выходами, динамические параметры которых идентифицированы с учетом влияния конкретной ИС-нагрузки исходного ЕЭ 2И-НЕ.

Для построения конгломератов и параметрической идентификации их ТММ, а также ТММ отдельных БЭ с учетом их индивидуальной емкостной нагрузки в диссертации разработан метод препроцессорной подготовки ВЛМ проектов СпБИС и алгоритм на его основе. Указанный метод в целом состоит из следующих основных шагов, выполняемых однократно для каждого проекта.

1. Параметрическая идентификация ТММ отдельных ЕЭ с учетом известной по местоположению в схеме их емкостной нагрузки и заданных значений внешних факторов.

2. Построение различных конгломератов, и прежде всего БЭ с НС-межсоединениями, и параметрическая идентификация их ТММ с учетом заданных нагрузки и внешних факторов.

3. Построение математической модели проекта с использованием ТММ, сформированных в результате выполнения шагов 1, 2; формирование с учетом описания проекта структур данных для моделирования, оптимальных по затратам оперативной памяти.

Для снижения вычислительных затрат на параметрическую идентификацию ТММ различных конгломератов при несущественных потерях в точности по сравнению с СхГМ предложено использовать АММ БЭ. Идея построения аналитической макромодели, учитывающей нелинейность выходного сопротивления КМОП БЭ, принадлежит научному руководителю настоящей диссертационной работы, а развитие этой идеи в части исследования адекватности различных допущений по основным электрическим характеристикам КМОП БЭ, реализации АММ и разработки методики ее параметрической идентификации,- осуществлены диссертантом.

На основании экспериментальных результатов с учетом характера влияния всех существенных факторов были обоснованы следующие базовые допущения для построения АММ:

1. Передаточная характеристика БЭ и^.-Ш ) является ступенчатой:

ВЦ-Х * оХ'

Примеры построения различных конгломератов БЭ и КО-межеоединений

Рис.3

©

Результаты схемотехнического и временного логического моделирования синхронного КБ-триггера на предельной рабочей частоте 40 МГц (а) и на частоте 45 МГц (б)

Рис.4

а

б

и . ивх « V *0»ш>

ШХ ~ 1 ^и > V ^сп)

Г и0,

= Ь1,

2. Выходное сопротивление БЭ определяется гиперболической

зависимостью от входного напряжения (ивк):

а-и + ъ

»вш, ■ Л^Г <?>

Эквивалентная электрическая схема (ЭЭС) АММ построена о учетом допущений (6,7) путем модификации ЭЭС резиетивно-ключевой макромодели БЭ. Система параметров АММ для каждого выхода БЭ включает статические параметры 1)°, и1, и,а также выходное сопротивление (и 1

р ^ ВЦл.-*

и собственную емкость (Ссоб) БЭ, описывающую его внутренние инерционные свойства. Функциональные зависимости Двых и Сеоб имеют следующий общий вид:

Евых = р6(мсп- Ктп' исс <8>

Ссоб= Р,(ИСц- V 5'исо'С) (9)

По итогам машинных експериментов с фрагментами топологии реальных СпБИС на основе БМК 1515ХМ1 показано, что применение аналитических макромоделей БЭ позволяет:

- существенно сократить вычислительные затраты на препроцессорную подготовку ВЛМ (на примерах - в 2-4 раза) по сравнению с моделированием БЭ на уровне транзисторов;

- определить максимальную рабочую частоту со средней погрешностью не более 15$ относительно результатов СхГМ.

В пятой главе предлагается модифицированный алгоритм ВЛМ, проводящий событийную обработку сигналов в непрерывных шкалах напряжения и времени и обеспечивающий временную верификацию проектов с учетом требований по точности и скорости. Скоростная эффективность алгоритма анализируется на примере ВЛМ одной из промышленных СпБИС. ОСНОВНЫЕ ШАГИ АЛГОРИТМА ВЛМ

1. НАЧАЛО. Чтение описания проекта и тестов.

2. Расчет напряжений во внутренних активных узлах проекта:

и$.п>:= и$п-1> +Т}(П). *1(п>

3. Расчет входных сигналов и прогноз событий от них.

Цикл обработки активных модельных элементов (МЭ) 4- Поиск активных МЭ и расчет их реакций. Если МЭ активен:

по выходом - к п.4.1; по входам - к п.4.2; 4.1. Чтение из буфера значения фронта выходного сигнала,

рассчитанного на одном из предыдущих шагов. Переход к п.5.

4.2. Определение способа и порога переключения МЭ.

4.3. Преобразование влектрических состояний выводов в логические. Расчет новых логических состояний и признака переключения выходов МЭ.

4.4- Если МЭ должен переключиться, то расчет и запись в буфер задержки и длительности фронта реакции МЭ (иначе к п.5):

V.3. = исп); Vbixjc. = г2^ф.вх.' Ncn);

4.5. Определение времени ближайшего события в выходных узлах МЭ.

5. Определение момента наступления ближайшего события в схеме (t6 ) относительно текущего времени моделирования tTgK.

6. Вычисление шага по времени: п:= п + 1; = -

h(n):= t„ - t(n~1) ; t(n) t(n"1) + h(n) б.с. тек ' тек тек

7. Если t „ & . переход к п.2. Иначе - КОНЕЦ.

Г6К McjiCC

К числу основных отличительных особенностей алгоритма относятся:

1. Концепция активности модельных элементов, позволяющая отрабатывать влияние на БЭ всех возможных способов его переключения, длительности фронта входного сигнала, локальных обратных связей БЭ, часто встречающихся в СпЕИС.

2. Моделирование проектов СпБИС на уровне БЭ без раскрытия БЭ до вентильного уровня, что способствует сокращению временых затрат на моделирование.

Быстродействие алгоритма продемонстрировано примером ВЛМ схемы перестраиваемого цифрового фильтра на станции Compaq Descpro 486/66 - 13с. Параметры фильтра: 121 цепь, 75 БЭ типа вентилей сборок ключей, триггеров; тактовая частота - 12.5 МГц; средний коэффициент разветвления - 2.6; интервал моделирования - 65 тактов; число отработанных событий - 14.5 тыс. Время работы алгоритма ВЛМ линейно зависит от сложности схем.

На основании полученных данных с использованием тестов Донгар-ра (общепризнанной международной методики тестирования вычислительной техники) были получены оценки затрат на временную верификацию для различных классов ЭВМ. Оценки показали, что быстродействие алгоритма позволяет проводить временную верификацию проектов СпБИС типовой сложности на реальном числе тестовых наборов на базе современных рабочих станций в практически приемлемые сроки.

Точность алгоритма ВЛМ иллюстрируется примером моделирования синхронного RS-триггера, которое позволило определить его реальную

предельную тактовую частоту срабатывания, составившую 40 МГц, что подтверждают результаты СхТМ (см.рис.4а).На частоте 40 МГц фиксируются слабые риски сбоев выходов KS-триггера с амплитудой примерно

0.6. (ом.рис.4а). На частоте, превышающей предельную на 5 МГц (рис. 46), уже наблюдаются существенные сбои функционирования в виде устойчивого нарушения формы и амплитуды выходных сигналов триггера.

Таким образом, ВЛМ позволяет получить результаты, сравнимые по точности и достоверности с результатами СхТМ, и в итоге избежать критических ошибок моделирования на предельных рабочих частотах.

Шестая глава посвящена практической реализации программного обеспечения системы временной верификации СпБИС, разработанной на основе предложенных моделей, методов и алгоритмов. Описываются структура и организация системы, возможности и особенности ее основных компонент.

Основными программными компонентами системы являются:

1. Подсистема оперативной аттестации БЭ и параметрической идентификации их моделей.

2. Подсистема описания проектов (графические редакторы условно-графических обозначений (УГО) БЭ, схем и входных сигналов; экспандер иерархического описания проектов; программы контроля корректности проекта; трансляторы).

3. Препроцессор и программа временного логического моделирования.

4. Постпроцессор обработки результатов временной верификации.

5. Специализированная СУБД (трансляторы с языков описания (ЯОД) и манипулирования (ЯМД) данными, объектные библиотеки ЯМД).

Подсистема (1) автоматически формирует по каждому БЭ.т.н. паспорт, включающий функционально-параметрическое описание БЭ, его макромоделей в зависимости от всех существенно влияющих факторов на заданном диапазоне их изменения. Подсистема (1) функционирует согласно разработанному маршруту, допускающему интерактивную поддержку только нестандартных ситуаций и гарантирующему безошибочность результатов аттестации БЭ и параметрической идентификации их макромоделей. Ее применение на IBM РС/АТ-386 на 2 порядка сокращает время соответствующих работ по сравнению с традиционными интерактивными средствами. Состав, назначение и возможности всех 20-ти компонент Подсистемы (1) описаны в работах [9,10].

Уравнения зависимостей параметров ТММ БЭ от влияющих факторов автоматически формируются Подсистемой (1), например, в виде таблиц типа табл.2. В табл.2 колонки соответствуют различным поддиапазонам изменения факторов: горизонтальные (Сн) - емкостной нагрузке (нэп-

Таблица 2

Форма представления кусочно-линейных уравнений табличной макромодели ЕЭ ЗИ-НЕ, определяющих зависимость динамических параметров ВЭ от емкости нагрузки (Сн) в поддиапазонах [0;2] и [2,20] пФи длительности фронта входного сигнала ^ф.) в поддиапазонах [1;50] и (50;200] не для одного из способов переключения БЗ

Переключение выходного сигнала 0-1

Сн(пФ) 1 Ьф—> (не) 1 1.0 - 50.0 1 С 50.0 - 200.0]

[ 0.0 - 2.0 3 Граничное условие 1>=24.500Сн+1.000 Ъэ.р.= 3.829Сн-0.0871;<^+0.388, Ъф>=Б Ъз.р.= 0.904СН+0.032Ъф+0.269, Ъф< В Граничное условие Г>=75.000Сн+50.ООО £з_р. — 7.048Сн-0.109Ьф*-1.464, Ьф>-Ь Ъэ-р.= 3.829СН-0.066Ъф-0.682, Ъф< Р

Граничное условие Р=24.500Сн+1.ООО Ъфвьгх= 4.686Сн+0.045tф+0.234, 1ф>=Р Ъфвых= 1.747Сн+0.165Ъф+0.114, Ъф< Р Граничное условие К=75.000Сн+50.000 Ъфвых= 9.352Сн+0_025Ъф+1.264, Ьф>=Р Ьфвых= 4.687Сн+0.087Ьф-1.846, Ьф< V

I 2-0 - 20.03 Граничное условие Т>= 2.722Си-4.444 Ъз.р.= 1.354Сн+0.032Ъф-0.6331 Ьф>=0 Ьэ.р.= 0.787Сн+0.241Ъф+0.294, Ъф< Ю Граничное условие 1>= 8.333Сн+33.333 Ъз.р.= 2.423Сн-0.06ВЬф+2.129, Ъф>=С Ъэ.р.= 1.354Сн+0.063Ьф-2.148, Ъф< 0

Граничное условие Р= 2.722Сн-4.444 Ъфвых= 1.802Сн+0.165Ъф+0.004, tф>=F Ъфвых= 1.734Сн+0.190Ъф+0.11Б, Ьф< Р Граничное условие V- в.ЗЗЗСн+ЗЗ.ЗЗЗ Ъфвюс= 2.719Сн+0.087Ъф+2.089, Ъф>=К 1фвых= 1.802Сн+0.197tф-1.580, Ъф< Р

ример, [0,2] пФ), а вертикальные (1;ф ) - длительности фронта входного сигнала (например, [50,200] не). Подобные таблицы строятся для кавдого типа ("0-1","1-0") и способа переключения БЭ, а также заданной технологии. На пересечении колонок находятся наборы из 6 линейных уравнений. По два уравнения набора относится к зависимостям задержки (1;з.р.) и длительности выходного фронта (1;фвых) БЭ, а также к граничному условию применения последних. Граничное условие позволяет выбрать для расчета из двух представленных по каждому динамическому параметру уравнений одно, в зависимости от значений факторов Сн и Например, при Сн =1 пФ, tф =10 не следует использовать уравнения, относящиеся к поддиапазонам [0;2] пФ и [1;50] не: . Ъз.р.= 0.904СН + 0.032Щ + 0.269, гфвых= 1.747СН + 0.165tф + 0.114, т.к. условие 24.5-1 + 1 = 25-5 не, а 1;ф = 10нс < 25.5 не.

На рис.5 показано, как интерактивными средствами Постпроцессора (4) проводится линейно-вкспоненциальная аппроксимация фронтов выходных сигналов БЭ и идентификация динамических параметров ТММ.

Подсистема описания проектов (2) решает следующие основные задачи: графический ввод и редактирование УТО БЭ (рис.6),схем (рис.7) и тестовых сигналов (рис.8); иерархическое описание крупных проектов СпБИС (рис.6 и 7); контроль структурных и временных ограничений по схемам и тестам с учетом иерархии описания проектов; преобразование описаний в стандартные форматы.

Препроцессор (3) осуществляет индивидуальную параметрическую идентификацию ТММ БЭ и их конгломератов в зависимости от положения БЭ в схеме с учетом конкретной нагрузки, а также внешних дестабилизирующих факторов. Результатом работы Препроцессора является модель всей СпБИС, которая позволяет программе ВЛМ без дополнительных вычислительных затрат проводить моделирование проекта с учетом влияния топологии и внешних факторов.

Постпроцессор (4) является крупной многофункциональной программой, решающей задачи на различных этапах проектирования, в т.ч. и на этапе, поддерживаемом Подсистемой (1), обеспечивая "ручную" параметрическую идентификацю макромоделей БЭ в соответствии с методиками, разработанными в диссертации (см.рис.5). В рамках системы временной верификации он осуществляет построение временных диаграмм и графиков переходных процессов в цепях СпБИС (см.рис.9) на основе результатов, полученных программой ВЛМ (3). Предназначен для поддержки усилий разработчиков, направленных на анализ и выяснение причин возникновения сбоев, импульсов "подозрительных" помех. Спо-

Пример линейно-экспоненциальной аппроксимации переходной характеристики БЭ ЗИ-НЕ: 1,2- входной и выходной сигналы БЭ; 3,4-вкспоненциальная и линейная аппроксимации выходного сигнала БЭ

Рис - 5

Формирование УГО матричной БИС, включающей 4 перестраиваемых фильтра - режим редактирования меток входов УГО (последняя пиктограмма). Курсор указывает на вход, метку которого следует изменить на метку "СМХ" с использованием одного из списков стандартных меток, предлагаемых Редактором УГО

Рис.6

дттег

W

ш

Е

Редактирование метки входа "1/СиЯ"

АА- ПЗП Ра6<

Ву* Ик-

ра вот а байтами адресов от» бантами данных

- Вход поатвегидения лроиессора , - Вмход подтвегждения процессора н1> 5ЬСТ1> - Выбор модуля " I ь- Раор?иение процессор» доступ к Обиии залгос к магистрали Останов цикла Начало цикла Окончание цикпа

094. Постоянная частота синхрон Ответ

Сигнал несоответствия кода »пга Вход иепи приоритетов Выход иепи приоритетов Сиикгониоаиия Сиихрднмааи^«

шит» мниммчт .. — ■ ■■ i

Пиик*и чпгавр^ния X )

Управление четностью -PUBEQ- Запрос процессора CS — Выбор прибора, чипа СХ — Линия управления Х<1..0> для ОН

О - УД. Данные

PACK - Подтверждение ПДП

РХЙСК -. Подтверждение ПДП_

Перечень стандартных меток: FunDef.grэ

База данных: РЬодгСАР.^Ъз УГО элемента: 1ДМ

и

Просмотр Схемным Редактором перестраиваемого фильтра, представленного на верхнем уровне иерархии, - режим идентификации номеров цепей и имен внешних портов, соответствующих меткам выводов УГО самого фильтра и УГО включающей его БИС

Рис.7

Ввод тестовых непериодических цифровых сигналов для перестраиваемого фильтра средствами Редактора входных сигналов - режим вставки во временную диаграмму дополнительного импульса на вход фильтра с номером цепи "27" (имя порта - "СТО", см.рис.6 и 7), исключающий полный ввод или перередактирование всех имеющихся импульсов е выделенной временной диаграмме

Рис.8

Временные диаграммы одного цикла работы перестраиваемого фильтра, сформированные Построцессором по результатам временного логического

моделирования фильтра

Рис.9

Абсолютное время: 3000.000 Относительное время: 5008.000

Начало оси Т: 8.000 П5 Ыаг оси Т: 1000.В09 пз

LUlfiltr.L-3 25/ G.esa LUlf i 1 tr. L-3 26/ 5.ШЗ LUlfi1tr.L-3 27/ 5.СВЭ LUlfiltr.L-3 28/ о.евв LUlfiltr.L-3 29/ е.евв LUlf i1tr.L-3 18/ 5.0B0 LUlfi1tr.L-3 24/ 0.ВВ0 rlJlJЛJTrLrlЛJTЛJЛ^ JШlШШí™iШíWШШWWШ 1

¡1

п

№ i^iHf-tfjj*)/<1 'J ^ | "у ^ All P ar»t Select Graphics Нсору Exit

собствует усилению человеческого фактора в неоднозначных ситуациях, когда автоматические процедуры оказываются не в состоянии принять однозначно верное решение о работоспособности проектов СпБИС.

Разработанная специализированная СУБД (5) с иерархической моделью данных предметной области требует сравнительно небольших затрат времени и памяти на поиск, считывание, запись больших объемов данных, так что несущественно влияет на скорость моделирования и интерактивность графических интерфейсов. Основные показатели СУБД "память/скорость" в несколько раз лучше показателей ее ближайшего аналога - мобильной сетевой СУБД КОМПАС.

Поскольку цена ошибок на этапе временной верификации оказывается достаточно высокой, основные усилия при разработке рассматриваемой системы были сосредоточены на минимизации числа возможных ошибок при проведении интерактивных операций. В етом направлении были предусмотрены следующие меры.

1. Интеграция компонент системы по входным и выходным данным, целостность которых дополнительно контролируется СУБД. Это позволяет большинство процедур проводить в автоматическом режиме.

2. Специально встроенные функции, контролирующие все действия пользователя, и в первую очередь наиболее ответственные, с блокировкой ошибочных действий пользователя при проведении интерактивных операций (например, закоротка в схеме шин земли и питания).

3. Достаточно аффективные интерфейсы с учетом эргономических

и психологических аспектов при работе инженера со средствами машинного проектирования. Эти интерфейсы, дружественные пользователю, ориентированы на снижение трудоемкости и напряжения в работе и, поэтому, способствуют уменьшению числа ошибок.

Основные технические характеристики компонент системы временной верификации приведены в табл.3. В целом система позволяет достаточно эффективно решать основные задачи временной верификации проектов СпБИС, в т.ч. работающих на предельных тактовых частотах: от аттестации библиотек до принятия решения о готовности проекта к производству.

В заключении приведены основные выводы и результаты, полученные в диссертации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 1. Сформулированы основные требования к моделям элементов СпБИС, ориентированным на временную верификацию. Проведен анализ известных методов моделирования, и обоснована необходимость применения для решения задач временной верификации методов ВЛЫ.

Таблица 3

Основные технические характеристики компонент системы временной верификации проектов СпБИС

ХАРАКТЕРИСТИКА

ПОКАЗАТЕЛЬ

ПОДСИСТЕМА.АПИ: Средний объем архива для библиотеки

0-уровня (10 БЭ типа вентилей), МО Средний объем итоговой текстовой документации по библиотеке 0-уровня, Мб

Допустимая сложность аттестуемого БЭ,

компонентов (Л, 0, транзисторов) Время настройки на новую библиотеку СпБИС, ч Время аттестации и параметрической идентификации библиотеки 0-уровня на ПЭВМ РС/АТ-286, чел.-дней

ПОДСИСГМА ОПИСАНИЯ ПРОЕКТОВ: Количество внешних выводов УГО БЭ и схемы Количество БЭ (типа 2И-НЕ) в схеме одного

иерархического уровня Количество отрезков цепей схемы Количество контактов схемы Количество БЭ, составляющих базис схемы Количество экранов дисплея, отводимых на схему Число вложений иерархических уровней проекта Количество генераторов входного сигнала Количество временных диаграмм, одновременно

отображаемых на екране Количество типов входных сигналов на схему

ПРОГРАММА ВЛМ: Количество БЭ в моделируемой схеме Количество цепей в моделируемой схеме Объем библиотеки моделей элементов

и макроэлементов 3-х типов БМК, моделей ПОСТПРОЦЕССОР: Количество одновременно анализируемых файлов с

результатами моделирования Суммарное количество анализируемых узлов схемы Количество временных диаграмм, одновременно

отображаемых на экране Количество графиков, одновременно отображаемых на экране

СПЕЩШМЗИРОВАННАЯ СУБД: Количество операторов

Максимальный объем оперативной памяти под процедуры НМД в прикладной программе, Кб Время выполнения основных операций для 200 записей по 100 байт (запись, считывание, удаление) на РБ/2-50 (10 МГц), с Размерность адресации данных, разряды Максимальный размер БД, МО

ОБЩИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СИСТЕМЫ: Суммарный объем исходных текстов компонент, КО Суммарный объем загрузочных модулей системы, Кб

37

4.65 (1138 файлов)

до 125 не более 2

До

200

до 200 до 1000 до 2000 ДО 100 9

не ограничено до 200

не более 21 10

не более 5000

не более 5000

более 250

не более 10 до 45

не более 16

не более б

27

22

5, 3, 16

32 4000

2560 2620

2. По результатам машинных экспериментов показано, что такие факторы, как емкость нагрузки, длительность фронта входного сигнала, способ переключения БЭ оказывают существенное и нелинейное влияние на реакцию БЭ.

3. Разработаны обобщенная табличная макромодель БЭ и методика ее параметрической идентификации, отличающиеся от известных достаточно высокой точностью, достигаемой за счет учета всех основных факторов, влияющих на характеристики БЭ.

4. Предложен метод препроцессорной подготовки временного логического моделирования проектов СпБИС, позволяющий существенно сократить вычислительные затраты за счет проводимой до моделирования индивидуальной настройки табличных макромоделей БЭ и конгломератов с учетом топологии межсоединений и режимов работы БЭ в схеме.

5. С целью снижения вычислительных затрат на этапе препроцессорной подготовки моделирования предложено использовать аналитические макромодели БЭ, для которых разработана методика параметрической идентификации. По итогам машинных экспериментов показано, что применение аналитических макромоделей является достаточно эффективным.

6. Предложен и реализован модифицированный алгоритм ВЛМ, основанный на событийном подходе и обеспечивающий, в отличие от известных, работу с непрерывными осями напряжения и времени и точность, сравнимую со схемотехническим, а вычислительные затраты - с логическим моделированием.

7. Разработана подсистема оперативной идентификации параметров макромоделей БЭ,позволяющая автоматически формировать и оптимизировать их описания по критериям: затраты памяти - точность моделирования.

8. Разработаны основные программные компоненты системы временной верификации проектов СпБИС, в том числе: графические редакторы схем и входных сигналов, программа ВЛМ, постпроцессор обработки результатов моделирования, специализированная СУБД.

ОСНОВНЫЕ РАБОТЫ, ОПУБЛИКОВАННЫЕ ПО ТИЛЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Кондратьев С.А., Ермак В.В. Особенности реализации моделей элементов программы функционально-логического моделирования для временной верификации КВДД БИС на основе БМК// Тез. докл. VII науч.-тех. конф. "Методы и средства создания полупроводниковых приборов и ИМС".- Рига: НПО "Альфа", 1987.- С.34-35-

2. Ермак В.В., Кондратьев С.А. Модели библиотечных элементов программы функционально-логического моделирования фрагментов матричных КМДП БИС на базе ДВК// САПР БИС: Алгоритмы и программы: Межвуз. сб. науч. тр.- М.: МИЭТ, 1989.- 0.46-52.

3. Кондратьев С.А. Логичекая структура данных для персональной системы функционально-логического моделирования специализированных МДП БИС// САПР БИС: Алгоритмы и программы: Межвуз. сб. науч. тр.- М.: МИЭТ, 1989.- С.98-104.

4- Интерактивно-графическая система функционального моделирования и верификации специализированных КМДП БИС на базе ПВК "Элект-роника-85"/ С.А.Кондратьев, В.В.Ермак, С.В.Коженов и др.//Тез. докл. Всесоюз. сем. молодых ученых и спец."Разработка и оптимизация САПР и ГАП изделий электронной техники на базе высокопроизводительных мини- и микро-ЭВМ".-Воронеж: ВПИ, 1989.-С.25.

5. Кондратьев С.А. Подсистема функциональной верификации логических проектов специализированных ЩЩ1 БИС// Тез. докл. Всесоюз. сем. молодых ученых и спец. "Разработка и оптимизация САПР и ГАП изделий электронной техники на базе высокопроизводительных мини- и микро-ЭВМ".- Воронеж: ВПИ, 1989.- С.42.

6. Ермак_В.В., Кондратьев С.А. Особенности построения схемных графических редакторов для персональных систем функционального проектирования цифровых БИС// САПР БИС: Проблемы развития и применения: Мевуз. сб. науч. тр.- М.: МИЭТ, 1990.- С.69-76.

7. Водениктов А.И., Кондратьев С.А. Иерархическая СУБД ДИСК для САПР БИС на базе ПЭВМ IBM PC// САПР БИС: Проблемы автоматизации: Сб. научн. тр.- М.: МИЭТ, 1991.- С.166-169. '

8. Система проектирования библиотек КМДП стандартных ¡элементов для обслуживающей электроники БИС на ПЗС/ А.И.Водениктов, П.Л.Городенский, В.В.Ермак, С.В.Коженов, С.А.Кондратьев// Электронная промышленность.- 1993.- N6-7.- 0.97-102.

9- Кондратьев С.А., Ермак В.В., Городенский П.Л. Персональная система оперативной аттестации и параметрической идентификации библиотек специализированных КМОП БИС//ИЛ ВИМИ.- N94-1583.

10. Ермак В.В., Кондратьев С.А., Городенский П.Л. Комплекс программ оперативной аттестации и параметрической идентификации библиотечных'элементов специализированных КМОП БИС// Научно-технические достижения: Межотрасл. науч.-тех. сб.- М.: ВИМИ, 1995-- Вып.2,- С.28-32.

11. Ермак В.В., Кондратьев С.А. Структура и организация комплекса программ временной верификации проектов специализированных КМОП БИС// Научно-технические достижения: Межотрасл. науч.-тех. сб.- М.: ВИМИ, 1995.- Вып.2.- С.33-37.