книги / Основы построения САПР и АСТПП

ее подсистем на всех уровнях и этапах проектирования, пред­ ставленных для различной физической природы таких под­ систем.

Основные задачи по созданию САПР. Проблема создания автоматизированной системы проектирования включает в себя решение следующих задач:

1. Р а з р а б о т к а м е т о д и к и п р о е к т и р о в а н и я ИЭТ (РЭА), т. е. определение этапов проектирования, математиче­ ская формулировка задач каждого этапа, выбор численных методов решения задач проектирования, анализ возможности решения этих задач с помощью ЭВМ.

2. Р а з р а б о т к а м а т е м а т и ч е с к о г о о б е с п е ч е н и я (определение структуры и состава математического обеспече­ ния, выбор математического аппарата, разработка моделей объектов проектирования, численных методов и алгоритмов решения наиболее трудоемких задач) для автоматизации вы­ полнения работ на всех этапах проектирования ИС.

3. С о з д а н и е с и с т е м ы т е х н и ч е с к о г о о б е с п е ч е ­ ния (высокопроизводительные ЭВМ, периферийные средства проектирования для отображения, редактирования и докумен­ тирования алфавитно-цифровой и графической информации в процессе проектирования, объединенные по иерархическому или сетевому принципу в единый комплекс). Здесь решается задача создания системного программного обеспечения.

Рассматривая САПР, в отдельные группы выделяют обес­ печение программное, информационное и лингвистическое. Программное обеспечения включает тексты программ, про­ граммы на машинных носителях, инструкции по их эксплуа­ тации.

Информационное обеспечение представляет собой совокуп­ ность каталогов, справочников и библиотек на машинных но­ сителях информации, в которых содержатся сведения об уни­ фицированных элементах, математических моделях, числовых значениях параметров. Кроме того, информационное обеспече­ ние включает документы на бумажных и машинных носите­ лях, содержащие описания стандартных проектных процедур, типовых проектных решений, комплектующих изделий, мате­ риалов и другие данные, а также совокупность моделей, отра­

жающих опыт проектирования.			включает алгоритмические
Лингвистическое		обеспечение
языки, терминологию.		р а б о т на	САПР	при а в т о м а т и ­
4. О р г а н и з а ц и я
з и р о в а н н о м	п р о е к т и р о в а н и и . Эта			задача решается
с помощью методического и организационного обеспечения.
Методическое	обеспечение представляет			собой документы,

в которых отражены технология автоматизированного проек­ тирования, состав, правила отбора и эксплуатации средств

41

автоматизации проектирования в подсистемах. Организацион­ ное обеспечение — это положения, должностные инструкции, штатные расписания и другие документы, устанавливающие организационную структуру и функции подразделений и поря­ док их взаимодействия в условиях функционирования САПР, включая порядок рассмотрения проектной документации.

§ 2.1. ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К САПР

Развитие методологии проектирования ИЭТ и РЭА и со­ вершенствование технологии их изготовления показывает, ка­ кими свойствами должна обладать САПР:

— необходимой производительностью,	т. е. проектируемым
количеством изделий в единицу времени	(например, 100 БИС
в год);

Рис. 2.1. Структурная схема САПР

—разнообразием форм взаимодействия проектировщика с САПР, включая интерактивное;

—инвариантностью структуры к изменению средств, мето­ дов проектирования и технологии изготовления ИЭТ и РЭА;

—возможностью накопления опыта в системе;

—возможностью одновременного проектирования несколь­ ких изделий;

—независимостью ввода в действие и эксплуатации от­ дельных подсистем;

—информационной согласованностью подсистем и пакетов прикладных программ для различных этапов проектирования ИЭТ и РЭА;

—высокой надежностью и приемлемой стоимостью. Перечисленные свойства можно реализовать в САПР, при

построении которой учитывались следующие принципы:

42

— комплексность, т. е. должны решаться задачи по всему циклу проектирования изделия (от составления техническо­ го задания до получения информации на машинных носите­ лях для программно-управляемого технологического оборудо­ вания) ;

—совместимость автоматического, автоматизированного и традиционного проектирования (в общем цикле проектирова­ ния изделий ИЭТ и РЭА имеются задачи формализуемые, плохо формализуемые и неформализуемые);

—однократность описания многократно используемых дан­ ных и проектных процедур в общем банке данных (хранили­ ще информации или база данных со своей системой управле­ ния, выполняющей функции приема поиска, упорядочения и выдачи информации). К общему банку, данных обращение осуществляется из различных подсистем и прикладных про­ грамм;

—модульность, дающая возможность реализации отдель­ ных црдснетем..; в виде функционально самостоятельных моду­ лей с последующей их заменой по мере развития и совершен­ ствования технических средств, программного и информацион­ ного обеспечения;

—мультидоступ, т. е. САПР ИЭТ и РЭА должна быть

системой коллективного пользования.

Система автоматизированного проектирования ИЭТ и РЭА состоит из следующих составляющих (рис. 2.1): прикладного

программного	(ППО),	технического	(ТО), общесистемного
программного	(ОПО),	информационного (ИО),		лингвистиче­
ского (ЛО),	методического и организационного			обеспечений.
П р и к л а д н о е п р о г р а м м н о е			о б е с п е ч е н и е дол­

жно помогать проектировщику выполнять работу по всем эта­ пам проектирования:

— проектирование алгоритма функционирования и струк­ турной схемы ИЭТ или РЭА и функциональных блоков, логи­ ческих схем БИС и функциональных блоков, принципиальных электрических схем блоков БИС, элементов БИС, топологии БИС;

—синтез контролирующих тестов для установок функцио­ нального контроля БИС;

—подготовка информации на машинных носителях для

программы управляемого технологического оборудования, ис­ пользуемого при изготовлении БИС.

Т е х н и ч е с к о е о б е с п е ч е н и е представляет собой сово­ купность ЭВМ и периферийных средств для ввода, хранения, переработки, передачи программ и данных, организации взаи­ модействия проектировщика с ППО САПР и изготовления машинными методами проектной документации. Например, САПР БИС выпускает следующие виды документов:

43

1) текстовые и текстово-графические, включающие в себя описание алгоритма функционирования на входном языке, функционально-логическую схему БИС, временные диаграммы сигналов БИС, принципиальные электрические схемы функ­ циональных блоков БИС, электрические характеристики функ­ циональных блоков и компонентов, таблицы параметров ком­ понентов;

2)графические, включающие в себя послойные и совме­ щенные чертежи топологии функциональных блоков БИС, струк­ турные логические схемы;

3)документы на машинных носителях, состоящие из конт­ ролирующих тестов для установок функционального контроля,

информации на машинных носителях для программно-управ­

ляемого технологического	оборудования БИС	(для	изготовле­
ния фотошаблонов или непосредственно кристалла			БИС на
ЭЛУ).	п р о г р а м м н о е	о б е с п е ч е н и е
О б щ е с и с т е м н о е
представляет собой совокупность системных		программ, орга­

низующих выполнение прикладных программ на технических

средствах САПР. Часть программного обеспечения,	предназ­
наченная для планирования и организации процесса	ввода —

вывода, подготовки и отладки программ, распределения ресур­ сов, обработки, называется операционной системой (ОС). Операционная система состоит из программ двух групп: обра­ батывающих систем программирования, составляющих под­ систему подготовки программ (внешнее программное обеспе­ чение); управляющих, образующих группу исполнения про­ грамм (внутреннее программное обеспечение).

И н ф о р м а ц и о н н о е о б е с п е ч е н и е является важной составной частью САПР, позволяющей выполнять следующие процедуры: накопление, документирование, хранение и выда­ чу необходимой для проектирования информации; автоматиче­

скую	передачу	информации	между	решаемыми задачами,
в том	числе из	различных	этапов	проектирования; выдачу

справочных данных; накопление и предоставление возможно­

сти использования опыта	проектировщиков	(создание	и ис­
пользование базы знаний).	о б е с п е ч е н и е	содержит	сле­
Л и н г в и с т и ч е с к о е

дующую совокупность языков: 1) алгоритмические языки вы­ сокого уровня (ФОРТРАН, ПЛ-1, ПАСКАЛЬ, СИ, АДА

и др.); 2)	входные языки; 3) языки систем управления база­
ми данных	(СУБД); 4) выходные языки.
Алгоритмические языки высокого уровня используются для
написания	текстов прикладных и системных программ. Вход­

ные языки проектирования обеспечивают описание задания на проектирование.

Группа входных языков включает в себя следующие языки

44

описания: объектов проектирования, проектных процедур и операций, процессов проектирования.

Языки СУБД содержат средства для создания, редактиро­ вания и эксплуатации баз данных, оперативной базы данных, базы данных проектов, инвариантной базы данных.

Выходные языки проектирования обеспечивают вывод ре­ зультатов проектирования в соответствии с действующими стандартами и другими нормативными материалами на все виды документации и совместимость выходной информации САПР с программно-управляемым контрольно-измерительным и технологическим оборудованием, применяемым при изготов­

лении и контроле ИЭТ и РЭА.	представляет	собой
М е т о д и ч е с к о е о б е с п е ч е н и е
ряд документов, описывающих маршрут	проектирования	ИЭТ

и содержащих правила и инструкции по использованию про­

граммного обеспечения.	о б е с п е ч е н и е представляет со­
О р г а н и з а ц и о н н о е
бой перечень документов,	регламентирукнцих взаимодействие

и функции подразделений, участвующих в процессе автомати­ зированного проектирования ИЭТ и РЭА, а также материаль­ но-техническое обеспечение САПР ИЭТ и РЭА.

§ 2.3. РЕАЛИЗАЦИЯ СТРУКТУР САПР

Применение ЭВМ должно охватывать все стадии создания изделий новой техники от зарождения замысла до изготовле­ ния и испытания опытного образца (рис. 2.2). В настоящее время ведутся работы по интеграции систем АСУ, САПР, АСУТП и др., а также по совершенствованию каждой из них. Наибольшие успехи достигнуты за последние два-три десяти­ летия в области создания систем автоматизированного проек­ тирования ИС, БИС и СБИС. Техническая реализация общей структуры САПР может иметь различные формы.

Момент появления ИС можно считать временем перехода от классических аналитических методов расчета электронных схем к методам расчета повышенной эффективности, т. е. к машинным методам. Заметим, что этапы развития ИС соот­ ветствуют этапам развития методов проектирования. На ран­ них стадиях развития автоматизации проектирования ЭВМ использовались только как ускорители расчетов по аналитиче­ ским выражениям, а с середины 60-х годов наметилась тен­ денция создания программного обеспечения с привлечением численных математических методов, работающего в виде раз­ личных САПР. Причем в этих САПР, продолжающих разви­ ваться по настоящее время, можно выделить общую характер­ ную черту— они сохраняют структуру отдельных проблемно-

45

ориентированных программных модулей. Это обусловливается

тем,

что

САПР состоит из различных

проблемно-ориентиро­

ванных

программных

модулей

(ПРОПМ),

созданных

разны-

ми

разработчиками из

многих организаций. Для эффективно­

Идея

ного решения широкого спект­

I

ра задач

проектирования

ИС

Определение и описание

данные ПРОМП объединялись

о> о

поведения проектируемой

в

интегрированные

САПР

системы (изделия)

(ИНСАПР).

Интегрирование

9

S-

шло по числу

решаемых

про­

О

с

Представление архитектур

блем, по числу и возможностям

подключения ПРОПМ.

ры системы

if

Появление БИС и СБИС за­

казного

и полузаказного

типа

Функциональные блоки

послужило катализатором соз­

О

в)

I

дания

иных

САПР-систем

£ *

сквозного

автоматизированно­

; с 5

тели ВЧ и НЧ-тракты,

*0) О

Аналоговые схемы,усили­

го

проектирования

(ССАПР).

регистры, ключи, память

> о

о

Характерные

особенности

«

х

а

ССАПР — единый

высокого

Модули, гибридные схемы,

уровня язык описания объекта

9 о

микросборки, ИС, транзис­

проектирования,

единый

язык

торы, лампы, элементы,

описания заданий

и конвейер­

£ О-

компоненты

ная

обработка

информации.

Л

а

й

О

Проектно-конструкторская

Такие САПР

могут быть узко

^ С

проблемно - ориентированными

документация, фотошаблоны

(относительно

малое

время

разработки ССАПР со средни­

Технология изготовления

ми

требованиями

к

техниче­

ог i

« i s	if	ским средствам) или достаточ­
I- С с а	Изготовление	но универсальными (значитель­
		ное время разработки и очень
	Изделие	высокие требования к техниче­
		ским средствам). Наиболее ши­
Рис. 2.2. Стадии разработки ИЭТ		рокое распространение они мо­
		гут найти на предприятиях-по-

требителях заказных больших интегральных схем и сверхбольших интегральных схем.

Конечное желание разработчика — обладать не системой автоматизированного проектирования, а системой автоматиче­ ского проектирования (САВПР) или кремниевым (арсенид галлиевым) синтезатором (КС), когда на вход САВПР пода­ ется ТЗ (на языке очень высокого уровня), а на выходе полу­ чается конструкторская документация на изготовление СБИС. Но такие САВПР — это цель ближайшего будущего. В пос­ ледние годы предпринимаются попытки создания САВПР для решения задач различных этапов проектирования СБИС.

46

Маршрут прохождения проекта сверху вниз, как его видит разработчик, представлен на рис. 2.3.

На этапе системного проектирования определяются функ­ ционирование проектируемого объекта, назначение и структу­ ра входящих блоков, формируется частное техническое зада­ ние для проектирования на следующем этапе. Далее проект уточняется с учетом электрических характеристик при меха­ ническом и тепловом воздействии. Конструкторско-топологиче­ ское проектирование позволяет полностью определить кон­ струкцию проектируемого объекта, монтажную схему и топо­ логию входящих в него элементов. Под верификацией проекта понимается проверка параметров, полученных после каждого этапа, на соответствие требованиям ТЗ.

Решение -показанных на маршруте задач происходит пу­ тем создания САПР, построенных с использованием различ­ ных идей:

1)глобальных исследований пространства проектных ре­

шений;

2)интерактивных средств проектирования на основе иссле­

дования локального пространства проектных решений;

3)синтезаторов логических матриц (на основе базовой технологии);

4)кремниевых компиляторов;

5)систем моделирования процессов творческой деятельно­

сти человека на основе искусственного интеллекта.

Из множества новых подходов к проектированию СБИС наибольшее внимание привлекает кремниевое компилирова­ ние. Основная цель кремниевого компилирования — получение работоспособных СБИС в предельно сжатые сроки, невзирая

на некоторую неоптимальность			кристаллов		СБИС	по пло­
щади	и характеристикам.		Кремниевое		компилирование
(КРЕМКОМ) — это новая		методология		полностью		автомати­
ческого	проектирования,	позволяющая		проектировщику идти

от представления проектируемого объекта на функционально­ логическом уровне до компонентного уровня. Подробнее ИНСАПР, ССАПР и кремниевые компиляторы рассмотрены в гл. 3.

Современные САПР ИЭТ и РЭА развиваются в направле­ нии все большей интеллектуализации и в конечном счете ста­ нут полностью автоматическими.

$ 2.4. ПРИКЛАДНОЕ ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

Прикладное программное обеспечение САПР ИЭТ должно состоять из набора пакетов прикладных программ (ППП), причем для каждого этапа проектирования должен использо­ ваться свой ППП. В пределах каждого ППП необходимо ис-

47

Проектно-конструкторские нормы

Рис. 2.3. Маршрут проектирования ИС

пользовать единые правила для описания исходных данных. Требования, которым должна удовлетворять любая програм­ ма, включаемая в ППП, приведены в § 1.5. Пакеты приклад­ ных программ должны иметь в своем составе программы, позволяющие решать следующие .задачи: 1) структурный син­ тез логической и электрической схем, топологии и компонен-

Рис. 2.4. Структура прикладного программного обеспечения

тов; 2) составление математической модели логической и электрической схем, топологии и компонентов; 3) решение ма­ тематической модели, т. е. анализ активного компонента, ло­ гической и топологической схем; 4) оптимизацию числа логи­ ческих элементов в БИС РЭА, физической структуры и гео­

метрических размеров	компонентов,	параметров пассивных и
активных компонентов	электрической	схемы, числа пересече­
ний межкомпонентных	соединений	в топологической схеме;

5) статистический анализ компонентов, логической, электриче­ ской и топологической схем.

Структурная схема ППО представлена на рис. 2.4.

Для дальнейшей формализации процесса проектирования вводится понятие технологического маршрута проектирования. Под технологическим маршрутом проектирования ИС пони­ мают любой согласованный между собой набор программ из

ППП для различных этапов проектирования, обеспечивающий проектирование данной конкретной схемы по всему циклу —

49

от получения ТЗ на проектируемую схему до изготовления промежуточных фотошаблонов. В зависимости от особенно­ стей проектирования конкретных ИС понятие технологическо­ го маршрута можно ввести и для набора программ в преде­ лах одного ППП. Технологический маршрут проектирования ИС определяет проектировщик, так как проектирование — процесс творческий и динамический, т. е. постоянно изменяет­ ся в связи с появлением новых конструктивно-технологических методов изготовления и требований к функциям и парамет­ рам ИС.

Имея ППП для решения задач на различных, этапах про­ ектирования и пользуясь понятием технологического маршру­ та, можно формировать технологические маршруты проекти­ рования конкретных ИС, обеспечивающие высокое качество проектирования в кратчайшие сроки.

Исследование требуемого состава прикладного математи­ ческого обеспечения позволяет сделать ряд выводов. Очевид­ но, что решение четвертой и пятой задач достигается соответ­ ствующим образом организованным многократным решением второй задачи.

Следовательно, трудоемкость проектирования ИС с извест­ ными математическими моделями определяется в основном трудоемкостью решения экстремальных и статистических за­ дач. Исследование этих двух классов задач с точки зрения снижения трудоемкости проектирования представляет значи­ тельный интерес.

Если в пределах одного ППП количество программ велико

(10...20), то пользование			ими вызывает	затруднения. Естест­
венное	решение	этой проблемы — интеграция отдельных про­
грамм	в более	крупные.	Наиболее	простой подход — это

последовательное объединение в пределах одной библиотеки. Возможна параллельная интеграция программ из различных этапов проектирования, т. е. решение с помощью одной про­ граммы задач из различных этапов проектирования. Покажем это на примере третьей задачи, т. е. оптимизации физической структуры и геометрических размеров компонентов, парамет­ ров активных и пассивных компонентов схемы. Выбор физической структуры и определение геометрических конфигу­ раций активных компонентов, оптимальным образом удовлет­ воряющих предъявляемым требованиям, является экстремаль­ ной задачей, которую можно решать методами математиче­ ского программирования. Рассматриваемую задачу можно сформулировать как задачу нелинейного программирования. Действительно, электрические параметры транзисторов явля­ ются нелинейными функциями системы независимых парамет­ ров: N0— концентрации атомов донорной примеси в эпитакси­ альной пленке; JV0i — поверхностной концентрации атомов

50