Главная | Обратная связь

Методы решения задач структурного синтеза

СТРУКТУРНЫЙ СИНТЕЗ

Вопросы лекции:

1. Проектные процедуры.

2. Структурный синтез.

3. Методы решения задач структурного синтеза.

4. Структурный синтез СБИС.

 

Литература основная

1. Казенов Г.Г. Основы проектирования интегральных схем и систем. – М.: БИНОМ, Лаборатория знаний, 2009.

Литература дополнительная

 

Проектные процедуры

 

При проектировании любого изделия на каждом этапе необходимо выполнять одни и те же проектные процедуры: структурный синтез, составление математической модели, анализ математической модели, параметрическая оптимизация, статистический анализ.

В зависимости от того, на каком этапе проектирования выполняются соответствующие вычисления и какие физиче­ские принципы положены в основу действия объекта проек­тирования, содержательная сторона этих процедур будет различной. Однако следует подчеркнуть, что в том случае, если математические модели объектов проектирования раз­личной физической природы имеют одинаковую форму, то и математические методы их анализа могут быть одинаковы­ми. Что касается других проектных процедур, то и там такой подход возможен. Можно трактовать эти подходы как частные случаи известного принципа подобия.

 

Структурный синтез

 

Структура объекта определяется природой элементов и способом их связи между собой в составе объекта. Если под объектом проектирования понимать некоторую схему, то это межэлементные связи: функциональные, электрические и т. д. А если объект проектирования — пространственная конструкция, то связи отождествляются со взаимным расположением элементов в пространстве. Поэтому результатом структурного синтеза должны быть перечень типов элеменэлементов вместе с таблицей соединений (списком цепей) или схесхемы расположений элементов с указанием их типов или эсэскизный чертеж или схема алгоритма функционирования устройства и т. д.

Для большинства задач структурного синтеза возможна следующая формулировка. Найти экстремум целевой функ­ции F(X) при наличии ограничений в условиях, когда эле­менты векторов управляемых параметров могут принимать только дискретное значение. Это, по существу, общая форму­лировка задачи дискретного математического програмирова- ния. Например, к задаче линейного дискретного програмиро- вания могут быть сведены задачи размещения компонентов интегральной схемы, где в качестве управляемых параметров используются координаты и положение на плоскости, а целе­вой функцией являются суммы взвешенных расстояний меж­ду компонентами ИС или блоками аппаратуры.

 

Методы решения задач структурного синтеза

Так как при проектировании сложных технических сис­тем используется блочно-иерархический подход, то и струк­турный синтез также должен осуществляться по тому же принципу. Это означает, что на каждом этапе объект проек­тирования синтезируется отдельно в базисе своих структур­ных компонентов. В большинстве случаев на всех уровнях проектирования для решения задачи синтеза необходим пе­ребор вариантов и актуальной проблемой становится их со­кращение.

В основе решения задач синтеза чаще всего лежит пере­бор вариантов счетного множества, алгоритм которого состо­ит из выполнения трех шагов:

• выбор очередного варианта;

• оценка параметров выбранного варианта;

• принятие решения о прекращении или продолжении пе­ребора вариантов.

Как правило, для оценки параметров каждого варианта структуры требуется создание его варианта математической модели, ее решение и выполнение процедуры параметриче­ской оптимизации.

Существуют следующие общие подходы к решению задач структурного синтеза:

• возможность полного перебора вариантов. Для выполне­ния перебора необходимо в памяти ЭВМ хранить полный перечень вариантов структуры. Такой перечень создается в виде каталога типовых вариантов структуры, который входит в состав информационного обеспечения САПР. Примером может являться перечень типовых конфигура­ций интегральных транзисторов в подсистеме компонент­ного проектирования или перечень IP-блоков в подсистеме проектирования систем на кристалле (SoC);

• если имеется большое число вариантов и прямой перебор невозможен, то используются следующие подходы для решения задач структурного синтеза:

а) применение алгоритмов направленного перебора и

б) сведение задачи к первому подходу путем ограничения области поиска еще на этапе разработки спецификации;

• в том случае, если число вариантов практически неогра- ничено, например при синтезе электрической схемы, не­обходимо участие человека в решении этих задач. При этом характерным является использование специальных библиотек, элементами которых могут быть: а) описание физических явлений для синтеза принципов действия технических устройств, б) описание типовых решений в конкретной области, в) способы разрешения противоре­чий, возникших из-за наличия неудовлетворенных усло­вий работоспособности для некоторых значений параметров интегральных схем или систем.

В САПР большое распространение, кроме переборных подходов, получили последовательные алгоритмы синтеза, в которых осуществляется последовательное создание струк­туры путем дополнения элементов к некоторой начальной структуре, выбранной по принципу наибольшей связности с другими элементами.

Главное достоинство последовательных алгоритмов — их сравнительно высокая экономичность по затратам машинно­го времени, т. к. здесь нет многоразового анализа вариантов структуры. В этих алгоритмах не гарантируется оптималь­ность полученной структуры. Подобные алгоритмы относят к классу эвристических. Например, рассмотрим последова­тельный алгоритм компоновки для задач конструирования радиоэлектронного устройства. Задача заключается в рас­пределении элементов устройства по блокам. Блоки связы­ваются друг с другом с помощью разъемных соединений. При такой конструкции очевидно, что количество соедине­ний между блоками желательно иметь как можно мень­ше — при этом упрощается конструкция и возрастает помехоустойчивость, т. к. общая длина электрических сое­динений уменьшается. Поэтому алгоритм компоновки дол­жен целенаправленно минимизировать количество меж­блочных связей. Другой пример — разработка топологии БИС по имеющейся принципиальной электрической схеме и геометрическим конфигурациям компонентов: выбираются 3-4 компонента, имеющие наибольшее количество связей с соседними, к ним пристраиваются еще 3-4 и т. д. до получе­ния полной топологической схемы, соответствующей задан­ной электрической схеме. На этапе схемотехнического про­ектирования для решения задач структурного синтеза часто применяется метод локальной модификации, суть которого состоит в следующем. Предположим, что имеющаяся ИС не устраивает проектировщика по какому-либо выходному па­раметру или зависимости выходного параметра от внешних условий. Для определенности возьмем, например, схему, температурная зависимость одного из выходных параметров которой не устраивает проектировщика. Тогда производится анализ чувствительности выходных параметров схемы от компонентов и определяется наиболее чувствительный к из­менениям температуры компонент (в общем случае это мо­жет быть просто пара узлов схемы). Он заменяется схемой из имеющегося каталога, которая имеет характеристики, компенсирующие неудовлетворительную температурную за­висимость.

Итерационные алгоритмы являются эвристическими ал­горитмами улучшения первоначально выбранной структуры. По своей сути это алгоритмы перебора, в которых каждый очередной вариант структуры образуется по определенному правилу и перебор заканчивается, когда следование этому правилу не позволяет добиться дальнейшего улучшения. Ко­личество проб здесь меньше, чем при полном переборе.