книги / Моделирование и автоматизация проектирования силовых полупроводниковых приборов

Часть втора я

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИЛОВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ

Глав а д е в я т а я

ПРОБЛЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИЛОВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ

9.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О САПР

Силовая полупроводниковая электроника менее чем за четверть века своего развития превратилась в очень важную для народного хозяйства страны область науки, техники и производства. Электротермия, мощный регулируемый электро­ привод постоянного и переменного тока, железнодорожный транспорт, радиотех­ ника и радиолокация, авиация, судостроение — трудно перечислить все отрасли народного хозяйства, где применяются созданные за эти годы СПП различных типов и назначений. В настоящее время перед электротехнической промышленно­ стью стоит задача большой государственной важности — это разработка и освое­ ние в производстве перспективной серии массовых СПП третьего поколения с предельно достижимыми удельными нагрузками и оптимальным сочетанием основных параметров. Ужесточение требований к характеристикам СПП до пре­ делов физической реализуемости, а также сжатые сроки и ограниченность квали­ фицированных разработчиков делают чрезвычайно актуальной перестройку сло­ жившейся технологии проведения научно-исследовательских и опытно-конструк­ торских работ с помощью создания системы автоматизированного проектирова­

только на основе упрощенных представлений о физических явлениях в структуре большой площади с р-п переходами и приборах на их основе, т. е. на основе простых математических моделей, имеющих, как правило, аналитические ре­ шения.

При традиционном (ручном) проектировании новых типов приборов проек­ тировщик вынужден «держать в голове» известные взаимосвязи параметров, чтобы сосредоточиться только на исследовании принципиально новых взаимосвя­ зей, создающих новое качество прибора, не забывая при этом следить за их взаимовлиянием. Такое проектирование по плечу только очень высококвалифи­ цированным разработчикам с большим опытом и знаниями в силовом полупро­ водниковом приборостроении. Возникает противоречие между увеличивающимся числом сложных новых разработок и ограниченным числом разработчиков, спо­ собных их выполнить. Это приводит к затягиванию сроков разработок, часто из-за того,'что менее опытным разработчикам приходится в ряде случаев «переоткрывать» известные взаимосвязи, чаще всего экспериментальным путем.

Таким образом, создание достаточно полных математических моделей СПП

172

и разработка эффективных человеко-машинных процедур их использования в рамках САПР дают в руки разработчиков приборов мощный инструмент по­ вышения эффективности их труда.

Автоматизация проектирования на базе применения ЭВМ и математических методов возникла практически одновременно с ЭВМ и сегодня играет значитель­ ную роль в ускорении научно-технического прогресса во многих областях чело­ веческой деятельности.

Впервые ЭВМ были использованы для автоматизации проектирования самых ЭВМ, поэтому в этой отрасли в настоящее время достигнуты наиболее значи­ тельные результаты по созданию и внедрению САПР. Одна из первых САПР ЭВМ из числа описанных в литературе была представлена в 1956 г. Креем и Кишем [9.1].

Наиболее значительные успехи в области автоматизации проектирования в нашей стране достигнуты в радиоэлектронной промышленности, машинострое­ нии, приборостроении, авиационной промышленности, электротехнике и т. п.

Эволюция САПР до последнего времени в значительной мере была связана с эволюцией ЭВМ и периферийного оборудования. Растущая производительность ЭВМ (быстродействие, объем оперативной памяти и др.), а также постоянно совершенствующиеся дисплеи, графопостроители, автоматизированные рабочие места и другие периферийные устройства существенно расширили сферу приме­ нения и функции САПР.

Интеллектуализация ЭВМ, которая имеет место в связи с развитием искус­ ственного интеллекта и прикладного программного обеспечения, а также с на­ коплением модельных баз знаний в различных предметных областях, качествен­ ным образом изменила облик современных САПР.

Главной отличительной чертой САПР как «интеллектуальной» системы явля­ ется то, что в процессе проектирования такая САПР выступает как своего рода партнер конструктора в его проектной деятельности. Необходимым условием этого партнерства является реализация «интеллектуального» интерфейса чело­ век — ЭВМ. При наличии такого интерфейса накопленные в ЭВМ знания ста­ новятся в руках конструктора средством решения проектных задач, причем ему не требуется подробно излагать ЭВМ программу решения возникшей у него задачи. Достаточно на проблемно-ориентированном языке, близком его профес­ сиональному естественному языку, кратко изложить, что он хочет получить от ЭВМ. Машина же сама запросит у конструктора необходимые ей исходные дан­ ные, проанализирует их, составит план решения задачи, выполнит решение и сообщит о результатах. Имеет место типичный случай партнерства конструктора и ЭВМ в проектировании: конструктор знает, какие задачи необходимо решать на данном этапе развития проекта, ЭВМ знает, как эти задачи решить.

Принято считать, что в своем развитии САПР прошли три этапа, причем каждый из этапов характеризуется применяемым комплексом технических средств, классом решаемых на ЭВМ проектных задач, а также организацией взаимодействия проектировщиков с программно-техническим комплексом САПР.

Техническая база САПР развивалась следующим образом: на первом этапе использовались ЭВМ первого и второго поколений с ограниченным набором пе­ риферийных устройств, затем ЭВМ третьего поколения с широким набором алфавитно-цифровых и графических дисплеев, графопостроителей, диджнтайзеров, автоматизированных рабочих мест и др., на настоящем (третьем) этапе используются многомашинные и многопроцессорные комплексы, локальные сети

173

возможность оптимизации проектных решений. Для некоторых инженеров глав­ ными в САПР являются диалоговый режим и машинная графика. Системные программисты иногда считают, что набор вычислительных средств приобретает свойства САПР при наличии развитого общесистемного программного обеспече­ ния, позволяющего эффективно использовать возможности операционных систем ЭВМ, создавать банки данных, ППП, проблемно-ориентированные языки и т. д.

Концепции САПР, о которой идет речь в монографии, сформировалась в результате проведения исследований, создания и внедрения нескольких поко­ лений систем. Работы по автоматизации проектирования СПП были начаты впервые в электротехнике в 1970 г. За эти годы пройдены все рассмотренные выше этапы эволюции САПР. В разное время использовались ЭВМ «Минск-22», «Минск-32», ЕС-1020, ЕС-1033.

В результате выполненных исследований и обобщения накопленного опыта заложены научные основы и разработана методология построения САПР СПП, включая основы теории формализации интеллектуальных процессов в инженер­ ном проектировании в этой области. В основе методологии лежит использование системного подхода к анализу процесса проектирования СПП как разновидности проектной деятельности, состава и структуры средств, реализующих этот про­ цесс, и всей совокупности взаимодействий между этими средствами для форми­ рования 'Концепции построения САПР СПП.

На сегодняшнем уровне развития технической базы и программного обеспе­ чения САПР, методов искусственного интеллекта и методологии проектирования СПП наиболее соответствующим концепции САПР СПП является определение САПР, сформулированное в [9.4]. Согласно этому определению АСКЭТ-И явля­ ется организационно-технической системой, представляющей собой целенаправ­ ленно функционирующую совокупность коллектива разработчиков СПП и раз­ работчиков САПР СПП, упорядоченного в рамках административно-организа­ ционной структуры предприятия, и комплекса программно-технических средств, объединенных общностью решаемых задач в ходе автоматизированного выпол­

нения НИОКР приборов.

Комплекс средств автоматизации проектирования состоит из совокупности средств методического, программного, технического, информационного и органи­ зационного обеспечений [9.2]. В рамках организационно-технической системы взаимодействие проектировщиков с комплексом средств автоматизации осуществ­ ляется через средства технического обеспечения и регламентируется средствами организационного обеспечения.

Компонентами методического обеспечения являются теория, методы, способы, математические модели, алгоритмы, алгоритмические и специальные проблемноориентированные языки, терминология, нормативы, стандарты и другие данные, обеспечивающие методологию автоматизированного проектирования. Как прави­ ло, из состава методического обеспечения выделяют математическое (теория,

стемы ЭВМ,' инструментальные и технологические системы автоматизации про­ граммирования, ППП, расширяющие возможности ЭВМ, и прикладное. Приклад­ ное программное обеспечение в свою очередь подразделяется на общетематнческое, инвариантное ас специфике предметной области проектирования, и объектно-ори­ ентированное (объектное) — ориентированное на объект или класс объектов

175

проектирования. Примерами инвариантных ППП являются программы машинной графики, численного анализа, оптимизации и др. Объектами являются ППГ1 моде­ лирования объектов проектирования, программы автоматизации технологического

проектирования и др.

Компонентами технического обеспечения являются устройства вычислительной и организационной техники, средства передачи данных, измерительные и другие устройства или их сочетания, обеспечивающие функционирование соответствую­ щих подсистем САПР. Совокупность компонентов технического обеспечения обра­ зует комплекс технических средств автоматизации, это прежде всего центральные ЭВМ и периферийное оборудование, широкий спектр характеристик этих средств открывает перед разработчиками САПР большие возможности по синтезу кон­ фигурации КТС, удовлетворяющей разнообразным и растущим требованиям

к САПР.

Компонентами информационного обеспечения являются описания стандарт­ ных проектных процедур, данные о проектируемом объекте и его функциониро­ вании, исходные данные, необходимые для расчета характеристик объекта и т. д., обеспечивающие функционирование соответствующих подсистем САПР. Совокуп­

мативных актов, положений, приказов и инструкций, полностью определяющих структуру и условия функционирования САПР. В состав организационного обес­ печения организационно-технической САПР должны входить следующие основные документы: положение о подразделении, ответственным за разработку и внедре­ ние САПР на предприятии, приказы и другие документы, в которых излагается порядок взаимодействия подразделений предприятия при разработке, внедрении и эксплуатации САПР, должностные инструкции персонала, обеспечивающего функционирование САПР, план подготовки кадров для САПР, план развития САПР, документация, устанавливающая организацию и взаимодействие средств САПР и др.

В части II монографии рассмотрены компоненты математического (гл. 10) и программного (гл. 11) обеспечений основных автоматизированных процедур про­ ектирования СПП реализованных в АСКЭТ II.

9.2. ХАРАКТЕРИСТИКА СИЛОВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ И ПРОЦЕССА ИХ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Объектами проектирования во второй очереди САПР СПП — системе АСКЭТ-Н — являются следующие: быстродействующие тиристоры, предназначенные для схем с автономной коммута­ цией (инверторы, импульсные регуляторы и др.), а также для схем выпрямления при частотах до 10 кГц, где требуются малые времена включения и выключения, а также высокие критические скорости нарастания напряжения и тока; быстродействующие ти­ ристоры с комбинированным выключением (КВТ), предназначен­ ные для использования в общепромышленных преобразователь­ ных устройствах; тиристоры-диоды, использующиеся в инверто­ рах и являющиеся интегральными приборами и заменяющие два полупроводниковых прибора — тиристор и диод, что уменьшает

176

массогабариты и повышает надежность схем; высокотемператур­ ные, высокочастотные, мощные арсенид-галлиевые диоды, пред­ назначенные для использования в условиях, требующих малых габаритов приборов при высоких (до 280 °С) температурах и на сверхвысоких частотах (до 1—3 мГц); высокочастотные высоко­ температурные тиристоры на основе арсенида галлия, предназна­ ченные для работы в преобразовательных устройствах на сверх­ высоких частотах в условиях, где необходимы малые габаритные размеры и высокие температуры окружающей среды; мощные бы­ стродействующие тиристоры на токи 1000—3200 А, напряжение до 6000 В для сверхмощного преобразовательного оборудования (преобразователи для линий электропередачи постоянного тока, статические компенсаторы реактивной мощности, тяговый ре­ гулируемый электропривод и др.); специальные типы СПП (тран­ зисторы, запираемые тиристоры, быстровосстанавливающиеся диоды, диоды Шоттки) для преобразовательных устройств сред­ нечастотного диапазона (источники питания, станочный привод, агрегаты бесперебойного питания и др.).

СПП характеризуются, прежде всего, высокими напряжения­ ми, большими токами и коммутируемыми мощностями, что опре­ деляет основные проблемы их конструирования и изготовления. Для СПП характерны сложность технологических процессов из­ готовления, высокая чувствительность получаемых результатов к воздействию различного рода случайных факторов и трудности контроля технологического процесса путем непосредственного из­ мерения параметров полуфабриката. Все это нередко приводит к низкому проценту выхода годных СПП и большим материаль­ ным затратам на этапе серийного производства, что требует кор­ ректировки принятых решений или перепроектирования.

Объектами автоматизации в АСКЭТ-Н являются процессы ис­ следования, конструкторской и технологической подготовки про­ изводства СПП: НИР, ОКР, ТПП, в результате выполнения ко­ торых выдается проектная документация, регламентирующая про­ изводство изделий. Процессы подготовки производства новых типов СПП (процессы проектирования СПП) имеют целый ряд осо­ бенностей с точки зрения их автоматизации с применением САПР:

взаимная обусловленность конструктивных и технологических решений, что практически исключает возможность декомпозиции процесса по данному признаку;

значительный объем задач исследовательского характера на всех этапах процесса проектирования, натурных экспериментов и технологических проб в целях подтверждения выбранных проект­ ных решений, что обусловливает сложный итерационный харак­ тер процесса проектирования;

необходимость рассмотрения практически каждого из проектов СПП как уникального и в связи с этим значительные различия в содержании и организации процессов проектирования, затрудняю­ щие их моделирование, унификацию и стандартизацию;

значительная длительность процесса проектирования, сонзме-

римая с темпами эволюции объектов и методов проектирования, что также затрудняет типизацию методического (алгоритмиче­ ского) обеспечения автоматизации проектирования.

В проектировании СПП в связи с их бурным развитием имеет место некоторое отставание теории и инженерных методик проек­ тирования от практических потребностей. Особенно это заметно в части технологического проектирования и технологической под­ готовки производства. Выработка проектных решений в значи­ тельной степени опирается на опыт и интуицию разработчиков и на натурное экспериментирование. К недостаткам, требующим первоочередного внимания при развитии методов и средств ав­ томатизированного проектирования, следует отнести отсутствие методов комплексной оценки проектных решений с учетом техни­ ческих, технологических и технико-экономических показателей и, как следствие, невозможность строгого (формализованного) обо­ снования принимаемых проектных решений и введения четкой (регламентированной) системы контроля и управления процессами проектирования.

Реальный маршрут проектирования СПП, как и любого изде­ лия новой техники, в Минэлектротехпроме строго регламентиро­ ван ОСТ 16 0.690.004.03—81 «Разработка и постановка на произ­ водство электротехнических изделий. Порядок выполнения ОКР». Однако в зависимости от целого ряда факторов реальное содер­ жание работ на каждом из формально разделимых этапов ОКР — техническое задание, эскизный и рабочий проекты, установочная серия СПП — может существенно различаться. Такими фактора­ ми могут быть: предшествовала ли ОКР поисковая НИР или нет, является разрабатываемый СПП оригинальным или же он имеет зарубежный аналог, ориентирован разрабатываемый СПП на ба­ зовую технологию или технология должна быть разработана вме­ сте с СПП и т. д.

Указанные особенности процесса разработки СПП делают не­ возможным построение реального маршрута проектирования СПП на содержательном уровне. Для каждого СПП, каждой разработ­ ки перечень основных задач и центр тяжести научных, техничес­ ких и технологических проблем могут существенно различаться.

Перечисленные особенности СПП как объектов проектировавания и процесса их разработки как объекта автоматизации убе­ дительно показывают на наличие несоответствия между непре­ рывно растущей сложностью новых типов СПП и традиционно сложившейся технологией проектирования. Применение устарев­ ших методов проектирования затрудняет принятие оптимальных решений и приводит к непомерно высоким затратам материальных, трудовых и финансовых ресурсов.

Единственный путь к решению этой острой и важной проб­ лемы — создание САПР СПП, основанной на регулярном приме­ нении математических методов моделирования и оптимизации в процессах принятия проектных решений, в организации и управ­ лении проектированием.

178

9.3. ТРЕБОВАНИЯ К САПР СПП И ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ЕЕ ПОСТРОЕНИЯ

Главной целью создания и широкого внедрения САПР СПП является обеспечение высоких темпов ускорения научно-техниче­ ского прогресса в силовом полупроводниковом приборостроении.

Детализация главной цели создания САПР СПП позволяет определить совокупность более частных целей автоматизации, до­ стижение которых обеспечивается сформулированными ниже принципами ее построения.

Рассмотрим основные компоненты главной цели.

1. Существенное повышение качества проведения НИОКР при­ боров— эта цель достигается за счет того, что САПР СПП, являясь системой, реализующей наиболее важные этапы разработ­ ки СПП, выступает в роли качественно новой основы объедине­ ния всей системы служб и подразделений, участвующих в созда­ нии СПГ1. В рамках проектирующих подразделений подобное объединение на основе средств автоматизации проектирования и управления производством должно обеспечить упорядочение ин­ формационных связей между различными службами, оператив­ ную обработку разноплановой информации, своевременную выда­ чу исходных данных для проведения всех видов работ (от проек­ тирования до изготовления и иопытаний макетных образцов и опытных партий приборов), представление руководителям под­ разделений объективной и полной информации о ходе выполнения работ.

2.Обеспечение высоких технико-экономических показателей разрабатываемых СПП и соответствия лучшим мировым образ­ цам— эта цель достигается благодаря повышению качества про­ ектирования, увеличению количества формируемых проектных ре­ шений, применению методов оптимизации, моделированию на ЭВМ сложных процессов, позволяющих оценить поведение про­ ектируемых СПП в различных схемных применениях, более глу­ бокому изучению конъюнктуры рынка.

3.Сокращение сроков разработки СПП обеспечивается благо­ даря сокращению экспериментальных исследований и замене на­

турного эксперимента вычислительным, ускорению всех расчет­ ных операций и операций по обработке графической информации при проектировании и изготовлении фотошаблонов СПП, упоря­ дочению и ускорению процессов передачи информации между подразделениями за счет автоматизации этих процессов, автома­ тизации выпуска конструкторской документации.

4. Экономия материальных и трудовых ресурсов (уменьшение стоимости выполнения НИОКР СПП). Это достигается в резуль­ тате повышения производительности труда проектировщиков, что приводит к сокращению трудозатрат в процессе проектирования и условному высвобождению численности. Повышение точности расчетов и оптимизация проектных решений позволяют умень­ шить расход дорогостоящих материалов (кремния и молибдена)

и сократить доработки после внедрения СПП в серийное произ­ водство.

5. Повышение привлекательности труда проектировщиков, кон­ структоров и технологов — достижение этой социальной цели свя­ зано с освобождением человека от однообразных рутинных опе­ раций и созданием условий для максимального развития его твор­ ческого потенциала.

Достижение этих частных целей и, как следствие, главной це­ ли-создания САПР СПП — в полной мере возможно лишь при комплексном анализе содержания и специфических особенностей НИОКР по созданию новых типов СПП и формулировании на основе этого анализа системных методологических принципов соз­ дания САПР СПП. При этом методологические принципы созда­ ния САПР должны охватывать следующие уровни: информацион­ ный, на котором разрабатывается и оптимизируется информаци­ онно-логическая схема процесса автоматизированного проектиро­ вания; методический, на котором разрабатываются процедуры принятия проектных решений; функциональный, характеризую­ щий в целом процесс проектирования и технологической подго­ товки производства СПП с точки зрения решаемых задач; орга­ низационный, регламентирующий деятельность подразделений проектной организации, внедряющей САПР СПП.

Главной отличительной особенностью САПР СПП, выделяю­ щей ее среди аналогичных систем других отраслей, является функциональная ориентация на автоматизацию выполнения науч­ но-технических и оптимизационных расчетов, моделирование фи­ зических процессов и явлений, обработку данных и управление натурными и вычислительными экспериментами, применение итерактивной машинной графики и программно-управляемого техно­ логического оборудования для проектирования и изготовления фотошаблонов СПП.

Процесс проектирования СПП, как и любых других сложных технических систем, представляет собой логически взаимосвязан­ ную совокупность проектных процедур, поэтому главными зада­ чами при разработке САПР становятся формализация и алгорит­ мизация этих процедур и создание методологии автоматизирован­ ного проектирования.

Разработка методологии автоматизированного проектирования сопряжена с анализом и структуризацией процесса выполнения НИОКР как объекта автоматизации в САПР и выделения из НИОКР задач, подлежащих автоматизации. На основе этих задач формируется функциональная структура САПР. На следующем шаге разрабатываются проектные процедуры автоматизированно­ го решения выделенных задач проектирования. Затем задачи проектирования и методы их автоматизированного решения увя­ зываются логической схемой процесса проектирования (выполне­ ния НИОКР). Таким образом создается методология автоматизи­ рованного проектирования, представляющая собой научно обосно­ ванную структуру и организацию методов и средств автоматиза-

180