Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

книги из ГПНТБ / Евреинов Э.В. Цифровые автоматы с настраиваемой структурой (однородные среды)

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

24.10.2023

Размер:

8.98 Mб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 6 78 / 248 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 > Следующая >>>

где г' — общее	число вспомогательных тест-наборов,	ко
торые с л у ж а т	для развязывания элементов, если	не

может быть подан на соседние группы элементов с не


связанными		/-ми	каналами . З а N' тактов обнаруживает
ся лишь	по	одной		координате		каждой	неисправности.
Д л я определения			второй координаты неисправного t'-ro
канала в ш-й группе					используется контрольно-диагно
стический	тест.		Общее число контрольно-диагностиче
ских тестов ЛРц.д			составляет:
		MI	— м		4 - М ' — / I-£-\
		' и к.д —		ш	к . д т 1 к	\| 2	j '

из которых при появлении 5 неисправностей в структуре

ОС используется M ' K + S

тестов. Д л я ' обнаружения

вто

рой координаты неисправного канала требуется

один

дополнительный такт, т. е. при появлении 5

неисправно

стей диагностика их

осуществляется

за

N' + S

тактов.

Таким образом, видно, что однородность

структуры

ОС в сочетании с возможностью

изменения

структуры

программным

способом

позволяет

существенно

упро

стить

процедуру

поиска

не

исправных

элементов.

Е щ е

большее

значение

приобре

тают особенности

структуры

ОС при

необходимости

рез

кого

повышения

надежности

реализуемых в ОС схем.

Использование свойства пе-

рестраиваемостн

О С

позво

ляет

значительно

повысить

надежность

реализуемых

устройств. Под перестройкой

понимается

программное

из

Рис. 3-2. Глобальная

пере-

менение настройки ОС та

ким образом,

чтобы

исклю

стройка

АНС.

чить

отказавшие

элементы.

Вопросам

повышения надеж

ности

устройств за

счет

перестройки

посвящен

целый

р я д работ [Л. 3-9—3-12]. Перестройка может

охватывать

как значительную часть ОС, так и некоторые

ограничен

ные по числу

элементов'участки

ОС.

первом

случае

такие

методы

перестройки принято

называть

глобаль

ными,

а во втором — локальными .

Глобальные

методы

перестройки значительной части ОС требуют либо боль шего времени перестройки, либо большей сложности.

Л о к а л ь н ы е методы перестройки свободны от указанного недостатка. В то ж е время локальные методы без при менения глобальной перестройки структуры ОС не смо гут обеспечить высокую надежность для достаточно больших промежутков времени. По-видимому, сочетание локальных перестроек с проводимыми через определен ные промежутки времени глобальными (полными) пере стройками является наиболее рациональным подходом к обеспечению высокой надежности ОС . Глобальные ме тоды перестройки рассмотрены в работах [Л. 3-11—-3-13].

Одним из простейших примеров глобальных методов « перестройки является перемещение всей схемы по на правлениям координат. Пусть в ОС реализуется некото рая структурная схема и один из работающих элемен тов в этой схеме вышел из строя. Тогда, используя избы точность ОС, можно с помощью перестройкисместить всю схему по координатам так, что на пересечении ко

ординат	I и /, соответствующих	неисправному	элементу,
в схеме	не будет использоваться	этот элемент	(рис. 3-2).

При глобальной перестройке (рис. 3-2) происходит

перемещение	схемы вверх	и вправо по структуре, так
что элемент	на пересечении	координат / и / не -использу

ется вообще, а элементы по столбцу / и строке i выпол

няют соединительные		функции		пересечения Р.
Л о к а л ь н ы е методы		перестройки			рассмотрены		в рабо
тах [Л. 3-12, 3-15].
Суть одного из локальных методов, так называемого
локального	регулярного		резервирования,			заключается
в том, что	исходная структура			ОС	разбивается		на оди
наковые по мощности		и	конфигурации непересекающие
ся области	(суперэлементы); в			к а ж д о м		суперэлементе
выбираются	системы	подмножеств			элементов		( я д р а ) ,

реализующих автоматы из некоторого базиса; дл я к а ж

дого	ядра определяется подмножество элементов (обо
лочек	я д е р ) , обеспечивающих	соединение ядер	с м е ж н ы х
суперэлементов. Если система		ядер и оболочек	выбрана

таким образом, что дл я каждой группы элементов опре деленной мощности существуют ядро и оболочка, . не включающие в себя ни один элемент из заданной груп пы, то перестройку можно вести заменой одного ядра другим. При этом предполагается, что программирова ние ведется с учетом структуры соединений ядер суперэлементов, а перестройка сохраняет заданную структуру соединений. В качестве примера простого варианта ре-

з е р в и р о в а н ня и		перестройки		рассмотрим	ОС	в	виде
плоской среды		с основным элементом в виде				квадрата..
Пусть	к а ж д ы й	элемент, кроме		функций из	автоматного1
базиса,	может	т а к ж е	реализовать соединительные				функ
ции Р	и D. Разобьем		среду на	суперэлемеиты		по	четыре

а)

	8)	I	I		I г)
Рнс. 3-3. Регулярное локальное резервирование.
элемента	в к а ж д о м . На рис.			3-3,а,б,е,г		показаны		раз
личные варианты			локального	резервирования .
В к а ж д о м		суперэлементе		д л я	размещения		реализу
емого устройства			используется по		одному выделенному
элементу	(ядру) .		Остальные	элементы		с л у ж а т	для	сое

динений ядер и в качестве резерва. Отказ одного произ вольного элемента устраняется по правилам, представ

ленным	на рис. 3-3,	где	крестом	отмечен	отказавший
элемент.	Отказы двух или более элементов,				принадле
ж а щ и х	суперэлементам, достаточно удаленным друг от
друга, устраняются		независимо.
Д л я	оценки надежности		ОС в случае локальной пере
стройки	важной характеристикой			является	вероятность
72

&(/) появления существенного отказа, под которым пони мается набор отказов элементов такой, что хотя бы в одном суперэлементе нельзя найти ядро, чья оболочка

обеспечивала	бы	соединение с	ядрами	соседних		супер
элементов.
Грубая оценка		и сравнение	вариантов		резервирова
ния производятся по мощности минимального						набора
элементов суперэлемента и его б л и ж а й ш и х					соседей,		со
вместный отказ которых является существенным.
Если R — мощность такого			минимального набора,				т о .
		Q(t)~CN{q(t)r,
где N—число	суперэлементов		в ОС,	a	q(t)—вероят
ность отказа	одного элемента		ОС за время I .
Д л я я-мерной		однородной	среды,	элементами кото

рой являются единичные «-мерные кубы, а суперэлемен

тами	/г-мерные кубы с основанием				k(k>\),			вероятность
9 ( 0	при одной	и той	ж е	избыточности			и	вероятности
отказа элементов убывает с ростом					п.
Вероятность		появления		существенного			отказа			явля
ется характеристикой не только метода						резервирования,
но и	алгоритма	перестройки, так			как зависит				от	числа
суперэлементов,		подвергаемых перестройке, и количест
ва исследуемых		вариантов		размещения		ядер		и	оболочек.
Д л я	простых вариантов		резервирования				и	перестройки
при	выполнении	условия		Nq(t)<\	существуют					методы,

позволяющие достаточно точно вычислить '0(0- Их суть заключается в вычислении вероятности появления суще

ственного	отказа в конкретной		ограниченной	окрестно
сти одного	суперэлемента	и	исследовании	вариантов
взаимного	расположения	пар,	троек и т. д. таких обла

стей. Результат представляется в виде знакочередующе

гося ряда по степеням q{t). Д л я рассмотренного					алго
ритма	перестройки (рис.	3-3)	выражение д л я 0 ( 0		имеет
вид:
	9 ( 0 =N[102 92 —4 260 <73 +			0(<7'0].
Д л я	определения 9 ( 0	при	более	сложных алгорит

мах перестройки целесообразно применять методы ста

тистического	моделирования [Л. 3-14].		В этом	методе
исследование	в к а ж д о й	реализации результатов		воздей
ствия на ОС	заданного	количества	отказов	заменено

исследованием влияния каждого очередного отказа. Это возможно благодаря тому, что при моделировании ло кальной перестройки сложность выявления существенно-

i'o	отказа при	к одновременных	отказов о к а з а л а с ь	одно
го	порядка со	сложностью к	последовательных	прове

рок, осуществляемых после к а ж д о г о очередного отказа. Регулярность перестройки позволяет полностью автома тизировать процесс выявления существенных отказов. Вероятность появления существенного отказа за время /

можно представить

в следующем

виде:

б ( о

Pt(k)-R(k),

где

Pt{k)

— в е р о я т н о с т ь того,

что

за

время t

ОС

про

изойдет

ровно

k отказов элементов, а через R—

вероят

ность того, что

результате

случайного

равномерного

распределения

среде

k отказов

элементов

произойдет

существенный

отказ.

Таким образом,

расчет

надежности

ОС

заменяется

вычислением R

(к).

Пусть

имеется

критерий,

позволяющий

определить

д л я

заданной

окрестности отказавшего элемента, явля

ется

ли

отказ

существенным. Последовательно выбира

ются случайным

образом

элементы

ОС

так,

чтобы

их

координаты были распределены равномерно. После вы бора очередного элемента проверяется, является ли отказ полученного набора элементов существенным. Если отказ существенный, то запоминается число выбранных эле ментов и производится переход к новой реализации . Пос

ле набора т реализаций строится эмпирическая									функ
ция Fm{k)		распределения		вероятности			того,	что	сущест
венный отказ произойдет				точно		на k-м	шаге. П о		Fm(k)
строится:
				к
			flm(£) = 2			Fm{l),
				1=1
lira Rm	(k) =	R (It),	поэтому	при	увеличении числа реализа-
m->oo
п
ций JJ	PL(k)Rm(/i)		стремится		к	0(if).
й = 1
Этот метод моделирования может быть								применен и
при нескольких типах отказов.						Проведенное		моделиро
вание	показало,		что применение			локальных		алгоритмов

перестройки	ОС позволяет существенно повысить надеж
ность схем,	реализованных	в ОС . Таким	образом,	из
изложенного	выше следует,	что однородные	среды	бла-

годаря заложенным в них принципам переменности и однородности структуры позволяют резко увеличить


физическую		надежность		элементов,	существенно упро
стить	процесс		поиска неисправностей в			их	структуре,
резко	увеличить логическую надежность					структуры в це
лом з а счет применения методов глобальной							и	локаль
ной перестроек.
3-4. Э К О Н О М И Ч Н О С Т Ь О Д Н О Р О Д Н Ы Х С Р Е Д
Одним		из	важнейших и определяющих				требований
к ОС	являются		вопросы	стоимости.	Как	у ж е		указыва

лось, в ОС можно достигнуть довольно высокой произ

водительности	при использовании	физических	приборов
с относительно невысокой тактовой частотой.			Б л а г о д а р я
переменности	структуры, з а д а н н а я надежность ОС мо
жет -быть обеспечена д а ж е при		допущении	известного

процента выхода элементов. Это достигается использо

ванием избыточности		элементов в		ОС.	Таким	образом,
к однородным	средам	нужно	подходить		как к	системам,
с о д е р ж а щ и м	очень большое		число	элементов.		Отсюда

естественным требованием является минимальная стои мость элементов. Стоимость элементов определяется со вокупностью многих факторов: конструкцией, логиче


ской	структурой,		выбранным типом			физических прибо
ров,	технологией		изготовления		и т.	д. Д л я		выяснения
особенностей		подхода		к оценке	стоимости		ОС	рассмот
рим	сначала	оценки		стоимости	обычных		устройств при

использовании современных способов технологии микро миниатюризации.

В качестве конструктивной основы построения совре


менных устройств		используются	интегральные			схемы.
В отличие	от обычных схем из дискретных			компонентов
в интегральной схеме не допускается замена					вышедших
из строя компонентов. Как правило, компоненты						могут
выходить	из строя	в процессе изготовления		интеграль
ной схемы. Поэтому при выходе из строя				д а ж е		одной
компоненты приходится браковать всю схему.					В	инте
гральных	схемах различают две		основные	разновидно
сти брака:	брак,	обусловленный	независимыми			причи

нами, такими, например, как загрязнение, поломка выво да, пробой и т. д., и брак, обусловленный связанными друг с другом причинами, такими как плохое сырье, влияющее на многие характеристики компонентов, выход

из строя аппаратуры и т. д. В этом случае все элементы, входящие в партию, могут быть непригодны или все исправны. На самом деле причины брака представляют собой среднее между этими двумя крайними случаями. Проценты выхода годных интегральных схем при отсут ствии взаимосвязи м е ж д у причинами, вызывающими брак, равны:

Уг% = ( 1 — S)»- 100,

где N — число компонентов в интегральной схеме; 5 — отношение количества негодных компонентов к общему количеству компонентов (процент б р а к а ) .

Процент выхода годных схем, выполненных на ди скретных компонентах, которые можно заменять при выходе из строя, равен:

	vs%	=	(l-S)	-100.
Нетрудно видеть, что выход годных							интегральных
схем д л я любого	случая,		кроме	малых		N и		5,	является
низким.
Д л я характеристики		возрастания			стоимости				вследст
вие низкого выхода годных интегральных							схем		удобно
ввести коэффициент стоимости F, представляющий собой
отношение стоимости интегральной					схемы		к	стоимости
у з л а из дискретных компонентов				без		учета		затрат на
сборку:
F	=		^-={{-S)'-N-
На практике увеличение стоимости, выраженное через
коэффициент F,	следует		сопоставлять			со		снижением

стоимости, связанным с применением интегральных схем. Максимальное число компонентов, которое целесообраз но реализовать в каждой интегральной схеме, растет по мере снижения брака . Непосредственный способ увели чения выхода годных схем сводится к непрерывному улучшению технологии их изготовления.

К а к правило, значительные з а т р а т ы			на	изготовление
интегральных	схем	более оправданы,	чем	з а т р а т ы на
изготовление	схем	из дискретных компонентов.
Стоимость	к а ж д о г о компонента,		изготавливаемого

отдельно или в интегральной схеме, состоит из двух ча

стей:

С = С\ + Сг,

где	Ci — затраты на процесс изготовления, не				зависящие
от	количества изготавливаемых компонентов;				С2 — стои
мость обработки, которая				пропорциональна	количеству
изготовленных компонентов.
	Стоимость С2 можно выразить в виде
		C2 = C 2 0 ( 1 - S ) -NC
где	С2о — стоимость з а т р а т			на компонент при	отсутствии
.брака; Nc — количество интегральных схем.
	Стоимость Ct можно представить как
			d=€w	( 5 - 1 - 1 ) ,
где	С ю — к о э ф ф и ц и е н т пропорциональности,				зависящий
от того, на сколько схем можно распространить						постоян
ную		стоимость.
	В	соответствии с	уравнением уменьшение			5 веде г
к увеличению затрат			С\. Увеличение з а т р а т на			создание

метода изготовления схем резко уменьшает общую сто


имость интегральной схемы до тех пор,						пока	не	будет
достигнута	минимальная		стоимость,		соответствующая
оптимальному способу		изготовления			интегральных схем.
/ Д р у г и м направлением			в увеличении			выхода		годных
схем является резервирование, т. е. использование								допол
нительных	компонентов,		что	обеспечивает			выполнение
схемой определенной		функции		д а ж е	при	отказе		одного
или нескольких компонентов.				В случае		интегральных

схем это особенно эффективно, поскольку стоимость до полнительных компонентов довольно незначительна. При пассивном резервировании, когда к а ж д ы й компонент заменяется группой компонентов, соединенных по опре деленной схеме, повышение процента выхода годных схем незначительно при высоком проценте брака и вели ко при небольшом проценте брака . Например, при ре зервировании последовательно - параллельной группой из

четырех	компонентов		выход		годных		компонентов				повы
сится всего в 1,5 раза			при		S = 30%!		и	в	40 раз		при
5 = 1 % .	При	активном		резервировании					вместо	компо
нентов,	о к а з а в ш и х с я		негодными,			присоединяются					запас
ные компоненты.										п
Величина		выхода	годных схем,				с о д е р ж а щ и х				при
годных	компонентов		из	общего		числа		N,	определяется

выражением

где	5 — велпчпца		брака	при	изготовлении			отдельных
компонентов.
Например,		прч	20%	брака,	если	бы	изготовлялись
10-компоиептпые			интегральные		схемы,		выход		годных
схем	составил	бы	всего	11%- Но если		бы		требовалось
изготавливать		при	этом	8-компонснтные			схемы		и если

бы их можно было проверить и присоединить только год ные, то процент выхода годных схем составил бы 69%.

Активное резервирование является средством увели чения выхода годных схем. Однако увеличение выхода годных схем требует дополнительной проверки компо нентов перед подсоединением, а т а к ж е дополнительной работы па их присоединение, что приводит к некоторому увеличению стоимости. Д л я получения точной оценки стоимости интегральных схем необходимо учитывать осо

бенности технологии. В работе [Л.			3-16] приведены оцен
ки стоимости интегральных схем с			учетом	особенностей
их производства	на основе	плапарно-эпитаксиальмой
технологии. Эти	результаты	могут	быть	использованы

д л я	оценки стоимостных показателей интегральных схем
и в	общем плане. В качестве параметров,	характеризу
ющих конструкцию интегральной схемы,		принимаются

степень интеграции схемы п (число компонентов в инте

гральной схеме) и коэффициент поражаемостн

кристал

ла

(число дефектов на

1 мм2

площади пластины) .

М е ж д у

степенью интеграции

площадью

занима

емой

интегральной

схемы

Ас

существует

зависимость:

/ 1 . =

л « .

где

А0

— площадь

интегральной

схемы, не

з а н я т а я ком

понентами; а — средняя площадь кристалла,

з а н и м а е м а я

одним компонентом

схемы.

Коэффициент поражаемостн кристалла В равен отно

шению той части площади

кристалла, попадание дефек

та на которую выводит его из строя, к полной

площади

кристалла .

Практически д л я

широкого класса

интеграль

ных

схем

В ~ 0,4 ч-0,5. Процесс

производства

интеграль

ных

схем

можно разделить

на

две

группы

операций:

обработки пластины и сборки.

обработку

пластины

включаются все операции,

относящиеся к

пластине в це

лом. Все остальные операции, включая разрезание пла стины на отдельные кристаллы, герметизацию их в кор пусе и окончательные испытания, относятся к сборке.

Стоимость одной интегральной схемы С может быть выражена:

где Р±—выход	годных	кристаллов		после		обработки		пла
стины; Р2 — выход годных интегральных					схем		из сборка;
С м — стоимость обработки			одной	пластины			(включая
стоимость самой пластины); N—				число		кристаллов		на
пластине; Сс о — стоимость			сборки	одной		интегральной
схемы.
При существующем		уровне технологии наименьшим
оказывается	выход годных		кристаллов		после		обработки
пластины.

Основной прием, используемый в планарной техноло


гии	при обработке кремниевой пластины, состоит				во
вскрытии при помощи		фотолитографического		процесса
окон	в заданных местах защитной		пленки окисла		д л я
последующей локальной		обработки	материала	пластины

легирующими примесями. Экспериментальные исследо вания указывают на значительное количество дефектов защитного слоя окисла в виде проколов. Количественной оценкой качества защитного слоя служит плотность проколов d, определяемая средним числом проколов на единицу площади. Конкретный анализ топологии и функ ционального назначения компонентов в интегральной схеме позволяет установить критические участки и вы

числить их	размеры д л я каждого из процессов при	про
изводстве	данной схемы. Отношение чувствительной
к проколам	части площади кристалла Ат к полной	его

площади As определяет вероятность (1—Pi,m) того, что

один	прокол		выводит		кристалл	из строя,	есть вероят
ность	выхода		годного		кристалла	на т-н операции, если
вокисной		маске над		кристаллом		для этой	операции		име
ется	один	прокол.
Вероятность Рт				выхода годного кристалла				п о с л е т - н
операции		р а в н а :
			со
		/ • . = 2
где k — dAs		— средняя			плотность	проколов	на	один	кри
сталл .

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 6 78 / 248 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 > Следующая >>>

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ