2. Заманауи электроникадағы кристалдағы жүйелер ажж (автоматтандырылған жобалау жүйелері, сапр) дамуы және үис (Үлкен интегралды сұлба: бис) жобалауының әдістемелері

АЖЖ құрылуының мәселелері. «Мур заңына» сәкес кристалдағы транзисторлар саны уақытқа экспоненциалдық түрде өседі. Интегралдық құрылғылардың күрделенуімен жобалау жүйелерінде қажетті есептеудің жоғары-экспоененциалдық өсуіне алып келетін олардың элементтеріне деген талаптар саны өседі.

Жартылайөткізгіштік микросұлбалардың заманауи технологиясы бір кристалда миллиардтан аса транзисторларды біріктіретін электрондық техника бұйымдарын құруды қамтамасыз етеді. Осында ультра ҮИС үшін жобалаудың дәстүрлі әдістерін пайдаланғанда үлкен еңбектік және есептеу ресурстары, сондай-ақ жобалаудың жаңа бағдарламалық құралдары мен орасан зор қаржылық шығындар қажет болады. Бірнеше миллион транзисторлы күрделі деңгейдің өзінде микросұлба бір объект ретінде қарастырылатын жобалаудың дәстүрлі әдістемесінде шектеулер пайда бола бастайды.

• Бірінші мәселе – үлкен сандар мәселесі, яғни есептеу көлемінің өсімі.

• Екінші мәселе – нанометрлік өлшемді элементтер үшін физикалық үрдістердің (және олардың есебінің) күрделенуі. Мысалы, транзистордың белсенді аймақтарындағы легірленетін атомдардың статистикалық таралуы және кванттық құбылыстар, аз ток кезіндегі электр зарядтарының үзілістік қасиеті.

• Үшінші мәселе – адами фактор. Әзірлеушілерге жобалардың барынша көдемді специфиуһкацияларын құруға тура келеді. Алынған шешімдердің тиімділігін бағалау өте қиын. Есептеудің үлкен көлемдері үлкен нәтижелер ауқымын да тудырады. Әзірлеу үрдісін басқару үшін жобаларды сипаттау мен нәтижелерді көрсетудің анағұрлым жоғары деңгейлері талап етіледі.

Бұл мәселелердің кешені компьютерлердің және сәйкес келетін бағдарламалардың өнімділігін жоғарылату жолымен механикалық түрде шешілуі мүмкін емес. Жобалау әдістемелерінің дамуы және ултьра ҮИС жобаларды иерархиялы құру талап етіледі.

Жобалардың жүзеге асушылығы. Жобаға кететін шығындардың өсімі олардың көп бөлігінің өндірісте игерілгендігін және сатылуын талап етеді. Құрылғылар сипаттамаларын, мерзімдерін және әзірлеуге кететін шығындарды болжау бағдарламалары мен әдістемелер, маркетингтік зерттеулер қажет етіледі. Әзірлеуге кететін шығындар мен уақыт шешім қабылдауда айқындаушы фактор болды.

Шығындарды азайту. Жоба сипаттамасы абстракцияның ең жоғары деңгейінде іске асырылуы керек. Жобаны жүзеге асыру үшін жобалаудың жаңа жүйелері қажет болады. Сипаттаулың жоғарғы-жүйелік деңгейі жоғары деңгейлі тілдерді (Matlab, C, C++, сәйкес кеңейтулері бар С жүйелерін) пайдалану арқылы іске асуы керек. АЖЖ жүйелік деңгейден бастап жобаның бірлігін қолдауы қажет.

Техникалық шешімдердің үйлесімділігі. Техникалық шешімдердің үйлесімділігі өтім нарығын кеңейту үшін қажетті болып табылады. Үйлесімділік технологиялық ретінде де, құрылғы интерфейстерінің ұйлесімділігі ретінде де, және масштабтау мүмкіндігі мен мүмкіндіктер кеңейтілімдері ретінде де түсіндірілуі керек.

Жобаның функционалдық анықталыуы (верификациясы). Барлық мүмкін болатын күй амалдарын және күрделі жүйеге ауысуларды модельдеу қазір мүмкін емес, және де жақын арада пайда болу мүмкіндігі жоқ. Негізгі бағыт – ПЛИС-ті, микропроцессорларды немесе басқа да мамандандырылған микросұлбаларды пайдалана отырып құрылғыны немесе үлкен блоктарды пішімдеу. Пішімдер үшін тестілік тапсырмалардың мамандандырылған генераторлары кездейсоқ сандардың реттілігінне негізделуі қажет. пішімдеу жүйксі модельдеуге қарағанда арзандау шығады.

Модельдеу мен пішімдеу кезінде анықтау нәтижелерін бағалаудың жаңа әдістемесі қажет болады. Анықтау үрдісі компьютердің немесе пішімдік стендтің үзіліссіз жұмысына көп күнді талап ететіндіктен, іркілістер әрқашан болады, жобаның жарамдылығының белгісі (критерийі) көп уақыт кезеңінде (мысалы, бір аптада) мүмкін болатын табалдырықты деңгей болады.

Сигналдардың байланыстығын қамсыздандыру. Электрондық жүйелердің жұмысқа қабілеттілігі басқаратын және ақпараттық сигналдардың тек белгілі бір реттілігі кезінде ғана қамтамасыз етіледі. Байланыс сызығында кідірістердің ұлғаюымен кідірістерді тарату/шашу да ұлғаяды. Жүйе жұмысының алгоритмінің бұзылуына әкелетін сигналдарлың реттілігі өзгереді.

СБИС жобалануында блоктар арасындағы байланыс сызықтары – ерекше назарды талап ететін жобалаудың бөлек кезеңі. Кристалдағы байланыстар жүйелерінің дамуы аппаратурадағы байланыстар жүйелерінің дамуына өте ұқсайды және асинхрондық реттелген интерфейстерді құру бағытына барады,

Топологияны әзірлеудің автоматтандырылуы және физикалық анықтау (верификация). Топология синтезаторлары ҮИС физикалық жобалауының маңызды кезеңдер қатарын автоматты түрде орындаулары керек:

• блоктарды, олардың қуаты мен байланыстары есебімен, оңтайлы орналастыру;

• элект қуат көзі жүйелерін құру;

• синхросигналды орналастыру жүйелерін құру;

• сигналдық байланыстарды басым құру.

Байланыс сызығының, жайма бойынша таралатын бөгеулердің, қуат көзі тізбектеріндегі бөгеулерді және т.б. өзара әректтілігін есептейтін пнықтау бағдарламаларын құру қажеттілігі туады.

Бақылаудың кіріктірме құралдары. ҮИС-ды тестілеуге арналған бақылап-өлшегіш құралдар нақты уақыт көлемінде қазір жоқ және оны жасауға болмайды. Қиындықтардың және жылдам әрекеттіліктердің қазіргі заманғы үйлесімділіктері тек ҮИС құрамында ғана қол жетерлік. Сигналдарды бақылау сол кристалда орналасқан тек арнайы тіркеуші блоктармен ғана жүзеге асыруға болады. Кіріктірме бақылау жүйелерін жобалау негізгі жүйені әзірлеумен бір уақытта іске асыру керек.

АЖЖ жұмыс істеуін қамтамасыз ететін инфрақұрылым. АЖЖ-ді тиімді қолдану алдын ала дайындалған элементтер кітапханалары мен күрделі блоктарды, сондай-ақ осы блоктар жұмысын басқаратын бағдарламаларды пайдалануды болжайды. Сонымен бірге жоба бөлімдерінің барлықүйлесімділігі қамтамасыз етілуі керек. Жаңа әдістеменің толықмасштабтық енгізуі бағдарламалар мен блоктар банкімен халықаралық ақпараттық орталықтарды құруды, блоктардың таралу желілерін дамытуды, стандарттау жүйелерін әзірлеуді және кристалдағы жүйелер үшін блоктарды бірегейлендіруді қажет етеді. Ерікті тегін алмасуға және кристалдағы жүйелерді әзірлеу әдістері жайлы ақпаратты таратуға арналған ақпараттық желінің қажет болатындығы анық. Мұндай желі ғаламторда жасалуы мүмкін. Әдістемені жетілдіру үрдісі үзіліссіз және АЖЖ дамуының деңгейімен сәйкес болуы керек.

АЖЖ-ң жаңа инфрақұралымдарының элементтері қазір жасалынып та жатыр. Ғаламторда ақпарат алмасу жүріп жатыр, фабрикалар блоктар банкін жасап жатыр және оларды тапсырыс берушілерге ұсынуда. АЖЖ-ді әзірлеуші-фирмалар жобаларды қолдау орталықтарын және қызметкерлерді оқыту орталықтарын құрып жатыр. Осы үрдіске Ресейдің қосылуы микросұлбалық құрылғыларды әзірлеудің әлемдік жүйелерін қайта құрудың жаһандық деңгейін көрсетеді.

Кристалдағы жүйелер – тапсырысты микросұлбаларды жобалаудың жаңа әдістемесі.

Микроэлектрондық құрылғыларды жүзеге асыру тәсілдерін негізгі үш топқа бөлуге болады:

1. микропроцессорлар, жадтар, АЦП, амалдық күшейткіштер және т.б.әмбебап микросұлбалар негізінде;

2. қолданушымен бағдарламаланатын микросұлбалар негізінде (ПЛИС, ПЛМ, ППЗУ);

3. берілген құрылғыға арнайы әзірленген тапсырысты микросұлбалар негізінде.

Құрылғыны жүзеге асырудың тәсілдерін таңдау ең алдымен экономикалық көрсеткіштермен, яғни пайдаланылатын микросұлбалар құнымен анықталады. Технологияның дамуы микросұлбалар шығарылымына кететін өндірістік шығындардың төмендеуіне алып келеді. Сериялық аппаратураның анағұрлым жақсы техникалық және экономикалық көрсеткіштері тапсырысты микросұлбаларды қамтамасыз етеді. Сонымен қатар, аппарат құнына деген үлкен үлесті тапсырысты микросұлбаларды әзірлеуге кететін шығындар қосады.

Қарапайым тапсырысты микросұлбалардың жобалау бағыты (маршруты) келесі негізгі кезеңдерді өзіне қосады:

1. жүйелік жобалау;

2. функционалдық жобалау;

3. пішімдеу және функционалдық анықтау (верификация);

4. физикалық жобалау және анықтау (верификация);

5. жобаны куәландыру.

Анағұрлым еңбекті көп қажет ететін және уақыт бойынша ұзағырақ болып «b» және «с» кезеңдері саналады. Дәл осы кезеңдер әзірлеуге кететін негізгі шығындар мен уақытты анықтайды.

ҮИС кристалы жүйелік тұғыр (плата) ретінде. Тапсырысты микросұлбаларды жобалау әдістемесінің дамуындағы негізгі идея – жобада функционалдық тұрғыда аяқталған дайын блоктарды пайдалану. Әмбебап микросұлбаларды пайдалану арқылы тұғырда жүйелерді әзірлеу кезіндегідей шамалап жасалады.

Кристалдағы жүйелер (КЖ, СнК) – бұл дайын күрделіфункционалдық блоктар (КФ, СФ – сложнофункциональный) негізінде тапсырысты микросұлбаларды әзірлеу әдістемесі. СК-блоктардың «қос та жұмыс істе» қағидаты (plug-and-play ағылшын тіліндегі әдебиеттерде) бойынша үйлесімділігі негізгі әдістеме болып табылады.

Бұл қағидатын жүзеге асыру үшін КФ-блоктар өзінің қуат көзі жүйелерімен, синхрондалуымен және интерфейстерімен дербес/автономды құрылғы ретінде қарастырылуы керек.

Кристалдағы жүйелер әдістемесінің бірінші құрамдасы – КФ-блоктарға деген бірыңғай талаптар. Талаптардың міндеттілеріне технологиялық үйлесімділік, жете спецификациялардың және жоғары деңгей модельдерінің бар болуы жатады.

Екінші құрамдасы – КФ-блоктар үйлесімділігінің талаптарын орындауды қамтамасыз ететін нақты базалық шешімдер.

СК-блоктар жүйелер инфрақұрылымының элементтерін де қосыу тиіс (интерфейстер, қуат көзі жүйелері және синхрондау, бақылайдың кіріктірме құралдары). Инфрақұрылымдық блоктар кристалдың көп ауданын алмауы жәнесыртқы құраушыларды көп пайдаланбауы керек.

Үшінші құрамдас – КФ-блоктарды едәуір аз өзара ықпалмен жүйеге біріктіруді қамтамасыз ететін әмбебап ережелер.

КЖ жобалау бағыты толығымен тапсырысты микросұлбалар бағытымен салыстырғанда байыпты түрде қысқарады және жеңілдетіледі. КЖ жобалау әдістемесі баспа тұғырында жүйелерді әзірлеу әдістемесіне жақындайды. Жобалаудың негізгі кезеңі – бұл жүйелік. Дәл осы кезеңде әзірленетін микроэлектрондық құрылғының барлық басты сипаттамалары анықталады. Функционалдық жобалау мен анықтау кезеңдері бірігеді және оңайлатылады. Транзисторлы және вентильді деңгейде сұлбаларды модельдеу мүлдем жүргізілмеуі мүмкін. Тек жоғары деңгейлі модельдер пайдаланылады. Пайдаланылатын барлық КФ-блоктар куәландырылған және жоғары деңгейлі тілдерде (VHDL, VHDL-AMS және т.б.) адекватты түрде сипатталған болса, онда КЖ пішімдеу кезеңдерінің аланап тасталуы да мүмкін. Физикалық жобалау да сол сияқты елеулі түрде жеңілдетіледі, себебі олардың арасындағы пайдаланылатын сигналдық байланыстар мен КФ-блоктардың саны салыстырмалы түрде көп емес. Мән КЖ жартылайтапсырысты микросұлбалар болып табылады және негізгі шығындар КФ-блоктарды тарату мен жобалау жүйелерін жасау үшін кетеді. Басты пайда әр КФ-блоктардың көптеген бұйымдарында пайдаланылатындығында жатыр. Бұдан басқа, шеткі өнімдердің әзірлеу уақыты бірнеше есеге дейін қысқарады.

Кристалдағы жүйелерді жобалау әдістемесі жобаны орындауды екі бағыт бойынша белгілейді.

«Жоғарыдан – төменге» бағыты мыналардан тұрады:

• КЖ-де жалпы спецификацияны құру;

• жүйелі модельді әзірлеу;

• КФ-блоктардың талап етілген тізімдемесін дайындау;

• КЖ функционалдық модельдеу;

• Физикалық жобалау;

• Модельді анықтау (верификация).

«Төменнен – жоғарыға» бағыты мыналардан тұрады:

• Талап ететін КФ-блоктардда спецификацияларды дайындау;

• Дайын блоктарды іріктеу;

• Жетіспейтін блоктарды әзірлеу немесе сатып алу;

• Пайдаланылатын КФ-блоктарға арналған жоғарғы деңгейлі модельдерді анықтау (верификация) және әзірлеу.

КЖ өндірісін дайындау және әзірлеу шығындарының деңгейі бойынша ПЛИС пен әмбебап микросұлбалар арасында аралық орынды алады. Аралық деңгейлерді бірнеше түрге бөлуге болады. Ең шығынды деңгей – жетіспейтіндерді әзірлеу және бар КФ-блоктармен жобаны жиынтықтау. Сонымен бірге кристалды физикалық жобалауының толық циклі қажет болады. Базалық кристалдағы құрылымдық КЖ-де КФ-блоктар орналастырылып қойған. Функционалдық сұлба КФ-блоктардың берілген жиынтығынан металданған байланыстарды құру жолымен қалыптасады. Егер базалық кристалдағы КФ-блоктардың құрылымы ПЛИС ұяшықтарының құрылымын қайталайтын болса, онда жобаны ПЛИС пішімінде толығымен ретке келтіруге, сосын базалық кристалға өзгертуге болады. Мұндай КЖ-ді «ПЛИС-тің қатқыл көшірмелері» (FPGA Hard Copy) деп атайды. Ұтысқа байланысты бағдарламалау жүйелерін қоспау есебінен қол жетеді. Сонымен қатар кристалл ауданы 10 есеге дейін қысқарады, сәйкесінше жылдамәрекеттілік жоғарылайды және тұтынылатын қуат төмендейді. Әзірлеудің ең арзан тәсілі – бұл конфигурацияланатын КЖ. Шын мәнінде – бұлар құрылымдық ПЛИС. Әзірлеуші КФ-блоктардың қызметтерін де, олардың арасындағы байланыстарды да бағдарламалайды. Тұрақты ПЛИС-тен айырмашылығы КФ-блоктар мамандандырылған және барынша алуан түрлілігінде жатыр. Блоктарды мамандандыру тұрақты ПЛИС-пен салыстырғанда кристалл ауданын бірнеше есеге қысқартуға мүмкіндік береді.