авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |

Разработка средств автоматизации проектирования радиационно - стойкой микроэлектроннойой базы для нового поколения систем управления двойного назначения

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

АЧКАСОВ Владимир Николаевич

РАЗРАБОТКА СРЕДСТВ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
РАДИАЦИОННО - СТОЙКОЙ МИКРОЭЛЕКТРОННОЙОЙ БАЗЫ ДЛЯ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ
ДВОЙНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

05.13.12 – Системы автоматизации проектирования

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Воронеж – 2008

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Воронежская государственная лесотехническая академия»

Научный консультант: доктор технических наук, профессор,

академик РАН Гуляев Юрий Васильевич.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

Прохоров Николай Леонидович,

доктор технических наук, профессор

Питолин Владимир Михайлович,

доктор технических наук, профессор

Стародубцев Виктор Сергеевич.

Ведущая организация: Московский государственный технический

университет им. Н.Э.Баумана (г. Москва).

Защита диссертации состоится 20 марта 2009 г. в 1000 на заседании диссертационного совета Д 212.034.03 при Воронежской государственной лесотехнической академии по адресу: 394613, г. Воронеж, ул. Тимирязева, 8, ауд. 118.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежской государственной лесотехнической академии.

Автореферат разослан 17 февраля 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Е.А. Аникеев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Разработка управляющих вычислительных комплексов (УВК) двойного назначения относится к приоритетному направлению технической политики нашего государства, так как они применяются в оборонной, научной, социальной и других жизненно-важных сферах деятельности. При этом особую роль играют бортовые комплексы, которые применяются для систем управления (СУ) авиационных и космических летательных аппаратов, атомных электростанций, ядерных реакторов, химических производств, так как они имеют стратегическое значение для национальной безопасности страны. Главной задачей на ближайшую перспективу является достижения научной, технической и технологической независимости от ведущих иностранных государств.

При этом ключевой задачей является обеспечение работоспособности СУ при воздействии ионизирующего излучения (ИИ), электромагнитных полей, механических нагрузок в широком диапазоне температур. Данная задача может быть решена только с применением комплексных мероприятий по совершенствованию архитектуры вычислительных систем, разработки и производства широкой функционально-ориентированной номенклатуры высокоинтегрированных микросхем, создания научной и промышленной инфраструктуры разработки, создания и испытания вычислительных комплексов, модулей и микросхем.



Среди данных мероприятий задача разработки микросхем, стойких к радиационному воздействию является особенно важной. Ее решение требует, прежде всего, совершенствования проектной среды разработки элементной базы, позволяющей разрабатывать изделия, работающие в особо жёстких условиях: радиационных и электромагнитных воздействия, широкий диапазон температур, большие механические нагрузки и т.д. При этом основной технологией является КМОП-технология, которая обеспечивает уникальные интегральные показатели: широкий спектр функциональных возможностей, высокую производительность и быстродействие, низкую потребляемую мощность, простоту изготовления и др.

Одной из основных проблем является моделирование радиационных эффектов в процессе проектирования, которое в настоящее время требует существенной модернизации. Это обусловлено коренными преобразованиями в электронной промышленности (ЭП), вследствие резкого уменьшения проектных норм, увеличения степени интеграции, созданием СБИС, включая системы на кристалле (СнК), совершенствованием традиционных и созданием новых технологий производства, что привело к усилению влияния физических процессов, в том числе и радиационного характера, степень проявления которых ранее, была пренебрежимо мала.

Следует отметить и то, что изменились условия радиационного и электромагнитного воздействия на УВК, а следовательно и на СБИС, вследствие совершенствования средств противодействия, изменение орбит полетов космических летательных аппаратов, связанное с планированием долгосрочных космических экспедиций, совершенствованием существующих и созданием новых ядерных энергетических установок. Кроме того, ужесточились требования по надежности и продолжительности функционирования аппаратуры в условиях ионизирующего излучения. Эти требования были отражены в новом комплексе государственных стандартов (КГС) «Климат-7», в котором скорректированы параметры «традиционных» видов излучения и введены новые.

Так как зарубежные средства моделирования радиационных эффектов являются самым оберегаемым секретом фирм-производителей и не продаются на мировом рынке, а известные программные комплексы, системы и подсистемы не обеспечивают моделирования всего комплекса радиационных воздействия в новых условиях для создания радиационно-стойких микросхем в области теории САПР были выдвинуты актуальные задачи, которые потребовали комплексного подхода к их решению, начиная от совершенствования физических моделей процессов и заканчиваю программной реализацией.

Диссертация выполнена по программам важнейших работ Министерства образования и науки по планам НИР и ОКР ФГУП «Научно-исследовательский институт электронной техники»: «Салон», «Форзац», «Разводчик», «Танк-5», «Трикута», «Истра-7» и др., а также в соответствии с межвузовской научно-технической программой И.Т.601 «Перспективные информационные технологии в высшей школе» и научным направлением Воронежской государственной лесотехнической академии (ВГЛТА) «Разработка средств автоматизации управления и проектирования (в промышленности)», «Разработка математического обеспечения проектирования СБИС двойного назначения».

Цель работы состоит в создании комплекса методов, моделей, алгоритмов и программных средств проектирования специализированных КМОП СБИС двойного назначения для нового поколения СУ.

Для ее реализации необходимо решить следующие задачи:

1. Провести анализ современного состояния средств автоматизации проектирования, обеспечивающей моделирование радиационных эффектов, определить проблемы и направления их развития;

2. Сформулировать требования, целевые задачи, принципы построения и обосновать архитектуру технических средств автоматизации проектирования специализированных КМОП СБИС двойного назначения для нового поколения СУ;

3. Обосновать выбор структуры проблемно-ориентированной программной платформы автоматизации проектирования специализированных КМОП СБИС двойного назначения для нового поколения СУ;

4. Разработать математические модели и алгоритмы моделирования тепловых, термомеханических и деградационных процессов радиационного характера в КМОП СБИС двойного назначения для нового поколения СУ;

5. Обосновать технологию формирования и осуществить реализацию лингвистического и информационного обеспечения;

6. Провести программную реализацию разработанных средств и их интеграцию в единую программную среду проектирования КМОП СБИС двойного назначения для нового поколения СУ;

7. С помощью разработанных средств разработать типовую библиотеку элементов КМОП СБИС, на основе которой создать радиационно-стойкие микросхемы, и таким образом, провести опытную эксплуатацию предложенных средств и оценить их экономическую эффективность.

Методика исследования. Для решения поставленных задач использованы: теория вычислительных систем, автоматизации проектирования, оптимизации; аппарат вычислительной математики. А также теория построения программ; методы модульного, структурного и объектно-ориентированного программирования; имитационное, структурное, и параметрическое моделирование; вычислительные эксперименты.

На защиту выносятся следующие основные научные положения:

- принципы построения, архитектура технических средств автоматизации проектирования специализированных КМОП СБИС двойного назначения;

- математические модели расчета динамических полей температур и механических напряжений при радиационном воздействии и после него;

- математические модели ионизационного тока в p-n перехода в МОП – структурах и переходных процессов в типовых элементах микросхем при воздействии импульсного ионизирующего излучения;

- математические модели деградации электропараметров типовых элементов изделий вследствие воздействия статического ионизирующего воздействия;

- математические модели базовых элементов;

- методика сбора, обработки, хранения, представления и обмена данными и особенности реализации лингвистических и информационных средств в рамках единого информационного пространства,

Научная новизна. В результате проведенного исследования получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:

- принципы построения, архитектура технических средств автоматизации проектирования специализированных КМОП СБИС двойного назначения для нового поколения систем управления двойного назначения, обеспечивших унификацию технического, математического и программного обеспечения и заложивших основу создания единого информационного пространства сети дизайн-центров проектирования микросхем, блоков, модулей, вычислительных комплексов;

- математические модели расчета динамических полей температур и механических напряжений при радиационном воздействии и после него, отличающиеся учетом особенностей современной конструкции, технологии изготовления для различных амплитудно-временных и спектрально-энергетических характеристик воздействия;

- математические модели ионизационного тока в p-n перехода в МОП – структурах и переходных процессов в типовых элементах микросхем при воздействии импульсного ИИ, отличающаяся учетом особенностей субмикронных технологий, температурного режима, спектрально-энергетических и амплитудно-временных характеристик радиационного воздействия в соответствии с требованиями КГС «Климат-7»;

- математические модели деградации электропараметров типовых элементов изделий вследствие воздействия статического ИИ, отличающиеся учетом микродозиметрических радиационных эффектов, характерных для субмикронных технологий, связанных с особенностями накопления заряда в элементах конструкции в соответствии с требованиями комплекса государственных стандартов «Климат-7»;

- математические модели базовых элементов, которые отличаются описанием радиационных процессов, происходящих в МОП-структурах при воздействии импульсного и статического ИИ с учетом субмикронных технологий и требований КГС «Климат-7» на всех иерархических уровнях проектирования;

- методика сбора, обработки, хранения, представления и обмена данными и особенности реализации лингвистических и информационных средств в рамках единого информационного пространства, соответствующих базовым принципам современных информационных технологий.

Практическая значимость и результаты внедрения. На основе предложенных решений созданы и внедрены программные средства комплексного проектирования КМОП СБИС двойного назначения в ФГУП НИИЭТ (г.Воронеж), ОАО «Ангстрем» (г.Зеленоград), реализованные на единой методологической платформе и позволяющие распространить их на предприятиях аналогичного профиля. Анализ результатов внедрения показал высокую эффективность разработанных средств.

Предложенные средства проектирования радиационно-стойких изделий использовались при создании типовой библиотеки элементов радиационно-стойких СБИС, что позволило спроектировать более 500 типовых элементов, благодаря чему была созданы СБИС серий 1867, 1830, 1874.





Разработаны и внедрены обучающие программно-аппаратные комплексы, которые эффективно используются для проведения лабораторных работ, курсового и дипломного проектирования, подготовки аспирантов, соискателей, а также для непрерывной переподготовки специалистов в Воронежском государственном техническом университете (ВГТУ) на кафедре САПР.

Предложенные решения носят универсальный характер и могут использоваться при создании подобных систем в ЭП.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на: коллегиях ряда Министерств РФ, на совещаниях департамента ЭП, семинарах ведущих предприятий по разработке элементной базы моделей и блоков.

Автор выступал с докладами на:

международных конференциях: «Системные проблемы качества, математического моделирования и информационных технологий» (Сочи 2002, 2003, 2005, 2006); «Влияние внешних воздействующих факторов на элементную базу аппаратуры авиационной и космической техники» (Королев 2002, 2003); "Кибернетика.21век» (.Москва 2005); "Математические методы в технике и технологии» (Казань 2005, Воронеж 2006, Ярославль,2007); «Авиация и космонавтика» (Москва 2005); «Высокие технологии энергосбережения» (Воронеж 2005); «Наука и образование» (Воронеж 2005); «Современные проблемы борьбы с преступностью. Радиотехнические науки» (Воронеж 2006);

российских конференциях: "Радиационная стойкость электронных систем" (Москва 2002, 2003, 2005, 2006);.«Интеллектуальные информационные системы» (Воронеж 2005); «Интеллектуализация управления в социальных и экономических системах» (Воронеж 2005); «Информационные технологии» (Воронеж 2005); «Новые технологии» (Воронеж 2006); «Стойкость» (Москва 2005, 2006, 2008); «Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве» (Воронеж 2008).

Публикации результатов работы. По теме диссертации опубликовано 88 печатные работы, включая 28 работ, опубликованных в журналах определенных ВАК, 5 монографий и 5 авторских свидетельств общим объемом 1622 с (лично автором выполнено 597с).

Двадцать шесть публикаций выполнены без соавторов, личный вклад автора в работах, опубликованных в соавторстве заключается в определении целей и задач работы, разработке моделей и алгоритмов, в выполнении научно-технических исследований и анализе их результатов, в разработке основных элементов ее внедрения.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести разделов, заключения, списка использованных источников. Материал диссертации изложен на 334 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, цель, научная новизна и практическая ценность полученных результатов.

В первом разделе проведен анализ современного состояния и тенденций развития УВК нового поколения, сформулированы требования для элементной базы, на основе которой они создаются; рассмотрены вопросы состояния средств автоматизации их проектирования.. Проведена постановка задач исследования.

Современные бортовые системы управления должны отвечать требованиям: увеличения степени интеллектуализации управления, расширения функций, существенного сокращения времени подготовки и реализации всех задач управления, обеспечения заданной надежности функционирования и повышения точности выведения объекта в условиях применения современных и перспективных средств активного противодействия, значительного снижения энергопотребления, массы и габаритов.

Базовыми элементами таких систем управления являются уникальные УВК, которые прошли несколько этапов развития от простых аналоговых до мощных аналого-цифровых с иерархической структурой для параллельной реализации вычислительных процессов с самоорганизующейся архитектурой, обеспечивающей гарантированную надежность функционирования в жестких климатических условиях, больших механических нагрузок, активного противодействия в виде радиационного и электромагнитного излучения большой мощности, и различного спектрального состава.

Их разработка одна из самых сложных научно-технических проблем, требующей привлечения и тесного взаимодействия высококвалифицированных специалистов из разных областей: системо- и схемотехников изделий электронной и вычислительной техники, математиков, программистов, конструкторов, технологов и др.

Сложность ее решения определяется необходимостью комплексной увязки архитектурных принципов; системо- и схемотехнических, конструкторских и технологических решений; разработки, отладки и испытания базового программного обеспечения; научной, технической и технологической подготовки средств автоматизации разработки, производства и испытания специализированных микроэлектронных компонентов, унифицированных модулей, управляющих вычислительных комплексов и проверки их характеристик в составе систем управления в реальных условиях эксплуатации. При этом важным аспектом является достижения научно-технического прогресса в области микроэлектроники.

Устойчивой тенденцией развития является усложнение их архитектуры, повышение "интеллекта" входящих подсистем, введения автономных контуров управления и переход к распределенному вычислительному комплексу с индивидуальными специализированными вычислителями всех подсистем управления. В тоже время необходимо обеспечить минимизацию объемно-массовых характеристик, энергопотребления, простоту и преемственность развития. Важнейшее значение при этом имеет унификация (однородность) архитектуры комплексов и всех составляющих подсистем, что позволяет упростить процедуру резервирования и повысить надежность их функционирования без существенных затрат.

Одним из важнейших моментов применения управляющих вычислительных комплексов в составе бортовых систем управления является обеспечение работоспособности при воздействии на изделие специальных факторов - больших механических нагрузок и воздействия ионизирующих, а также электромагнитных излучений.

Следует отметить, что успех создания вычислительных систем и комплексов практически полностью определяется параметрами микроэлектронных компонентов, на базе которых они строятся, т.е. уровнем развития электронной промышленности.

Для создания современных вычислительных комплексов требуется применение радиационно-стойких СБИС, обладающими высокими быстродействием, помехоустойчивостью и надежностью, малыми объемно-массовыми характеристиками, низким потреблением электроэнергии с возможностью работы непосредственно от химических источников питания с большим диапазоном изменения питающих напряжений, при больших механических нагрузках и жестких климатических условий. Они должны обладать большой степенью интеграции, простотой конструкции и технологии изготовления, обеспечивающих возможность полной автоматизации проектирования, производства и испытания. Для этих целей широко применяются СБИС цифровой обработки сигнала (ЦОС) и микроконтроллеры.



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.