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

Вероятность

получения годного к р и с т а л л а после всех

операций определяется

произведением соответствующих

вероятностей на

к а ж д о м

этапе:

сильно зависит от параметра B = 1£1Am/As,

который

т

стоимости С и

одного

компонента схемы:

^° —

~!Г=Аа-А0

С

—

As

— Л0

Я с б

^ Аип

s

У д е л ь н ая

стоимость

одного

компонента

С 0 ,

рассма­

триваемая как функция площади схемы

As,

принимает

минимальное значение при некотором значении

площади

Ляопт, определяемом

из

уравнения

1 л \ ^ 0 ;

" f e -

"** 1

Ш 3

(As

- А0)

-

Аа]

-

CC G

=

0.

При

низком уровне

технологического

процесса,

ха­

рактеризуемом

двумя - тремя

проколами

на

1 мм2,

как

очень простые

интегральные

схемы, т а к

и относительно

сложные

приводят к

сильному

удорожанию . П р и более

в ы с о к ом уровне технологии становятся выгодными

ин­

тегральные схемы с высокой степенью интеграции.

При достижении определенного выхода годных кри­

сталлов па пластине главным фактором,

определяющим

стоимость

интегральной

схемы,

становится

стоимость

корпуса,

процессов

сборки

и контрольных измерений.

С

развитием технологии

микроминиатюризации

на­

метился

переход

к большим

интегральным

схемам

[Л. 3-17]. Обычно под большими

интегральными схема­

ми

( Б И С ) понимаются

схемы,

имеющие

на

кристалле

более чем

100 простых интегральных схем

(вентилей), со­

единений,

проектируемых

с

помощью

вычислительной

машины.

Д л я

современных

Б И С степень интеграции со­

ставляет

от

100 до

1 ООО вентилей.

Снижение

стоимости

компонентов в

Б И С

обусловли­

вается процессом

технологии,

позволяющим

увеличивать

плотность

упаковки

ком­

понентов

на

кристалле,

увеличением

выхода

год­

ных

интегральных

схем,

устранением

операции

разрезания

пластины

на

м а л ы е интегральные

схе­

мы,

уменьшением

объема

м опта жи о- с б ор о ч н ы х

ра­

бот

над

кристаллами .

Зависимость

стоимо­

Число компонентов

сти

компонента

от числа

на кристалле

компонентов

и от

уровня

Рис. 3-4. Зависимость стоимости

технологии

по

годам

представлена на

рис.

3-4.

компонента

от их

числа

на кри­

сталле.

При

реализации

Б И С

основной

целью

является

сведение

к

минимуму

числа

типов

Б И С

в

системе

один

логический элемент в Б И С , сверху ограничено

зна­

чением числа этих элементов для

многофункциональной

схемы

с несоедниенными

между

собой

элементами,

а снизу — значением для

наиболее

простой

схемы

(на­

6—235

81

[J\.

3-1] показало, что эта зависимость

является

линей­

ной (рис. 3-5).

На стоимость устройств, выполненных на интеграль­

ных

схемах

и особенно

па

больших

интегральных

схе­

мах

( Б И С ) ,

значительное

'влияние

оказывает

степень

однородности

или

регулярность

структуры

устройств.

,

От

степени

однородности

600D\

1

структуры

цифровых

машин

зависит

решение

проблемы

50001

применяемости

к а ж д о г о

типа

Б И С

и

проблемы

объема

за­

53

2/

пасных

Б И С .

Вследствие

низ­

кой

однородности

машин

вто­

рого и третьего поколений ко­

'§ 3000

3/

эффициент

применяемости

к а ж д о г о

типа

модулей

из

Б И С

будет крайне низким, а объем

woo I

запасных

Б И С — большим.

у

Н ео б ход и м ост ь

сокращен и я

WOO

числа типов

Б И С

и

повышения

коэффициента

п р и м ен я е м ост и

50 90

150 200

300

каждого

типа

обусловлена

как

Число Выводов

экономическими, так и надеж ­

Рис. 3-5. Зависимость меж­

ностными

соображениями .

Вы­

ду числом выводов и объе­

сокий

коэфффицнент

приме­

мом

памяти.

няемости

к а ж д о г о

типа инте­

гральных

схем

(ИС)

способ­

ствует н а л а ж и в а н и ю

крупносерийного

производства

ИС,

снизить стоимость

изготовления устройств,

а т а к ж е сни­

зить объем запасных

схем и эксплуатационные

расходы.

Д л я того чтобы

обеспечить

высокие

экономические

и надежностные

показатели "при

построении

цифровых

число типовых Б И С . Поиск

рациональных д л я крупно­

масштабной интеграции схем

может быть осуществлен ли­

шин параллельного

действия

(на

202

Б И С из 800

ком­

понентов к а ж д а я )

показывают,

что

наибольшее

число

типов

нестандартных

Б И С приходится

на

нерегулярные

устройства

местного

и

центрального

управления,

где

вообще

отсутствует

повторяемость типов

Б И С .

Общее

количество

типов

Б И С в

машине

равно

47 и

коэффици­

ент использования

к а ж д о г о

типа

равен 202/47^5. С уве­

личением числа

компонентов

в Б И С до 3 000 нерегуляр­

ность структур

Ц В М еще больше

проявляется

и коэффи­

циент

применяемости

каждого

типа Б И С

снижается от

пяти до

трех.

С другой стороны,

так

как

количество

и

стоимость

запасных

Б И С

сильно

зависят

от числа

типов

Б И С ,

применяемых в устройстве, то стоимость

эксплуатации

последних

тесно

связана

с

количеством

типов

Б И С

в устройстве. При существующей логической

структуре

объем

запасных

Б И С и их стоимость могут

приближать ­

ся, а иногда и превышать количество и стоимость

рабо ­

чих Б И С в

устройстве.

К а к

показывают

расчеты,

при времени

эксплуатации

40 000

ч

и интенсивности

отказов

Б И С Х=5-\0~в

l/ч

от­

ношение

необходимого

числа

запасных

Б И С к

рабочему

числу Б И С , используемых

в

малых Ц В М

телеавтомати ­

ской эффективности применения в машинах

четвертого

поколения Б И С с 1 000 и

более компонентами

необходи­

мо не только достижение

приемлемого технологического

числа типов

ИС, с одной стороны, увеличиваются

средняя

стоимость

И С и объем запасных

изделий

( З И П ) ,

а с другой

стороны, уменьшается общее число И С в уст­

ройстве, то,

очевидно, существует

определенное

число

6«

83

тами,

в

связи с

чем требуется определенная

избыточ­

ность элементов по сравнению с классическими

автома­

тами

с

жесткими

нерегулярными структурами,

причем

сколько раз

больше элементов с точки

зрения

затрат

может

иметь

ОС по сравнению с обычной

неоднородной.

Д л я

получения ответа на поставленный вопрос опре­

делим

экономически оправданную величину избыточно­

сти элементов

в ОС. Найдем зависимость

между

величи­

сти разработки, изготовления и-эксплуатации устройств.

Д л я

цифровых

логических

и вычислительных уст­

ройств

справедливо

следующее

соотношение:

где

М — общее

число

компонентов,

необходимое

для

построения

устройства;

т*о — число

компонентов в

мо­

дуле /-го типа при отсутствии

избыточности

компонен­

тов

(уровень интеграции); я'о — число модулей /-готипа

при

отсутствии

избыточности

модулей

в

устройстве;

cxi — коэффициент

избыточности,

характеризующий

либо

увеличение

числа

модулей /-го

типа

в

устройстве

при

компонентов

в

модуле

при

заданном

числе

модулей

п1о]

NT

— число

типов

модулей в

устройстве.

Если д л я упрощения анализа примем, что

а*' =

а J =

я; п'0

=

/г'0 = п0-щ-;

т10 =

т'0 =

т0,

то

получим:

М =\апо1Па-

Очевидно,

в общем

случае

при

NT—нг0

имеем

а —

Однако на практике всегда принимается УУт-Ся

и

а^2.

Так,

в

агрегатной

системе

вычислительной

техники

(использующ

ей

дискретные

компоненты)

принято

Л^г^40,

ш 0 =

50-й200

компонентов; аппаратурная избы­

точность

составляет

а = 1,3ч-1,4.

Используя эти

данные,

определяем зависимость a=f(NT)

для

следующих

основ­

ных способов построения

аппаратуры

Ц В М

на

И С :

1. Аппаратура строится из относительно

небольших

однофункциональных

И С

(модулей),

с о д е р ж а щ и х

около

100 компонентов.

В

этом

случае

общее

число

модулей

в аппаратуре определяется

как

2. Аппаратура

строится

из

монолитных

больших

интегральных схем

( Б И С ) ,

с о д е р ж а щ и х

до

нескольких

случае вследствие случайного

характера

распределения

дефектных элементов на

пластине

необходимо р а з р а б а ­

тывать и

изготавливать

д л я

каждой

пластины свой

шаблон .

При построении

Б И С

на

основе однородных

ные, объединяются

в

однородную

решетку с повторяю ­

щимся рисунком межсоединений.

З а д а н н а я схема

в

этой среде

реализуется путем

тронных ключей.

П р о г р а м м н а я

настройка на

заданную

схему учитывает

т а к ж е

обход

неисправных

элементов.

Д л я реализации

любой

функции

используется

стандарт­

ный рисунок межсоединений,

заложенный

в решетку.

Первый

способ построения

аппаратуры

Полную

стоимость устройства на ИС

(<?,_.) прибли­

где с1

— стоимость

производства

одной ИС /-го типа

(в эту

величину

входит

стоимость

проверки,

а т а к ж е

стоимость изготовления копии шаблонов, так

как

коли­

чество копий зависит от количества

изготовляемых ИС);

/г* = п1п

а1 ' — число

ИС

1-го типа; с1

— с т о и м о с т ь

раз-

0

ш.д

1

работки

и изготовления

одного

/-го комплекта

шаблонов

оригинала и рабочей

документации

/-го типа

схем; с э к —

затраты

на эксплуатацию

аппаратуры за время

t; с3 .и .п —

стоимость З И П .

В cv не входит

стоимость

конструкции,

усилителей(

монтажа и блоков

питания устройства .

Принимаем следующие

зависимости:

i = i

где

/гэ к — удельная

стоимость

эксплуатации в

пересчете

на

один модуль; /г'з

— минимальное

количество

схем

/-го типа, обеспечивающее

требуемую

вероятность

рабо­

тоспособности

устройства

за счет наличия З И П .

Примем дл я простоты:

С

пр

—-С

пр

— £ п п

и С

•—С

— С , !

и у

пг.д

ш.д

"

тогда

, , , , .

С ^+Л^г ^т . д — '

^ г " з . п . п с п Р

« =

f(NT)

=•

" о С „ Р + >WoY

NT

Если cs. считать

постоянной, то полученное

выражение

Второй способ

построения

аппаратуры

Суммарную

стоимость

устройства на Б И С , получен­

+

А ^ ш . д

+

>h.„.а

(Сир +

СШ.Ы)

+

^•"•С^-"-С

+

С э к

=

=

("•

+

" Э . „ . ц ) (Сир +

С Ш . м ) +

^

ш

. д

+

< - " - C A / 6 r " - C +

С э к .

где

//• — общее

число

Б И С

в

устройстве;

п3_и.„—мини­

мальное

число

запасных

Б И С ,

необходимое

для

обеспе­

чения

заданной вероятности (Я3.и.п) работоспособности

устройства

за

счет

наличия

З И П ;

с п р

— стоимость

про­

изводства

одной

Б И С

с

учетом

стоимости

всех

шабло ­

нов,

кроме

шаблона

межсоединений;

с ш . м

— стоимость

разработки

и

изготовления

одного

комплекта

(одного

стекла)

шаблонов

для

металлизации

межсоединений;

/Vj.-"'c

— ч и с л о функционально

различных

типов

Б И С ;

С д " С

— "Стоимость

разработки

рабочей

документации

C s = =

{/1

/7-з.н.ц) (СдР Сцаст) ~\~ С ш . д ~~\~ С щ . ы

^ э к : =

—

("- ~~Ь кз.п.а^Щ

(Сцр - \ ~ С.шст) ~\~ст.ж 4"~

с ш . м ~ Ь с э к >

откуда

( с п Р

- j - С в а о т ) (1 +

к3.ъ.иЩ

где с и а с т

— затраты

на

разработку

таблицы

настройки

однородной Б И С на

требуемую функцию и изготовление

носителя

информации

(фотопластинка);

Сщ>—стоимость

производства

одной

однородной Б И С без

учета стоимо­

лекта

рабочей

документации

на термокомпресспю

и

контроль Б И С ;

/г3 .и .п — коэффициент

запаса,

зависящий

от величины Р3 .и.п и среднего

числа

расходуемых запас ­

ных

Б И С .

П р и р а в н и в а я

суммарные

стоимости

с?

устройств,

выполненных на

однородных

и

неоднородных

Б И С ,

определяем количество

однородных

Б И С и эконо­

мически оправданный коэффициент избыточности а.

Количественные

оценки

результатов

иллюстрируются

иа примере расчета

стоимости конкретного

цифрового

ния

самых

разнообразных цифровых

устройств

на

осно­

ве однородных сред.

Одними из важных факторов, влияющих на

стон- •

мость аппаратуры на Б И С ,

являются

тестовый

контроль

исправности и диагностика

неисправности Б И С

и

аппа­

ратуры в

целом.

При изготовлении устройств из обычных

нерегуляр­

ных

Б И С

возникает этап индивидуальной проверки

к а ж ­

дого

Б И С

по сложным тестам при помощи Ц В М ,

при­

чем

для каждого типа Б И С

д о л ж е н

быть

разработан

гральной схемы растут затраты

на составление

все бо­

лее сложных тестов, а т а к ж е растет

и время

проверки

схемы с помощью такого теста.

К а к

у ж е указывалось

рых не зависит от числа элементов ОС. Время

контроля

неисправностей в ОС по этим

тестам

т а к ж е не

зависит

от

сложности

автомата, реализованного в

ОС .

Кроме

того, благодаря

переменности

структуры

ОС

проверка

и

поиск неисправных

элементов

могут

быть

вынесены за

технологический цикл изготовления ОС, поскольку

вы­

ход из строя отдельных элементов не влияет

на

функ ­

ционирование

ОС

в

целом.

Экономический

выигрыш

в стоимости разработки контроля и выполнении

опера­

ций контроля

при

переходе

к

ОС

оценить

довольно

трудно. Эмпирически можно оценить, что этот

выигрыш

может быть в зависимости от степени интеграции

Б И С

составлять от нескольких единиц до нескольких

десят­

ков раз .

Одним из в а ж н ы х факторов, влияющих на стоимость

устройства, является

стоимость

сборки

интегральных

схем. Обычно

по

мере роста

сложности устройств

растут

и

требования

к

процессу

сброки.

Если

не

переходить

к

более сложным

сборочным

конструкциям,

то

может