Моделирование и верификация аппаратно-программного комплекса для обеспечения целостности сигналов при проектировании вычислительных систем

• Автор: Полежаев, Максим Олегович
• Шифр специальности: 05.13.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 125 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ ЦЕЛОСТНОСТИ СИГНАЛОВ И МЕТОДЫ ИХ ИССЛЕДОВАНИЯ, КОНСТРУКТИВНОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЕЧАТНОГО МОНТАЖА ПО КРИТЕРИЯМ КАЧЕСТВА ПЕРЕДАЧИ ИМПУЛЬСНЫХ СИГНАЛОВ.. 8 1Л. Анализ и основы структурно-параметрического синтеза САПР
1.2. Корреляция конструктивных и импульсных параметров сигнальных линий прецизионных МНИ
1.3. Обоснование допустимого разброса волнового импеданса печатных линий
1.4. Влияние конструктивных неоднородностей МПП на волновое сопротивление линий связи
1.5. Технологическая модель полосковой линии передачи
1.6. Технологические возможности обеспечения заданных электрических характеристик полосковой структуры
1.7. Программа «Моделирование межсхемных соединений» с использованием АПКМ
1.8. Выводы
ГЛАВА 2. ВЕРИФИКАЦИЯ КОНЦЕПТУАЛЬНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ ТЕХНОЛОГИИ МОДЕЛИРОВАНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АПКМ
2.1. Назначение и область верификации АПКМ
2.2 Модель тест платы
2.3. Выводы
ГЛАВА 3. ВЕРИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ ФОРМЫ ИМПУЛЬСНЫХ СИГНАЛОВ В ЛИНИЯХ СВЯЗИ С ПОТЕРЯМИ
3.1. Модель переходного процесс в линии передачи с потерями
3.2. Модель динамических потерь помехозащищенности
3.3. Методика проектирования длинных линий
3.4. Применение частотного метода для разработки моделей длинных линий с потерями
3.5. Сравнение методов построения моделей длинных линий связи с потерями для проектирования высокопроизводительных вычислительных устройств
3.6. Выводы
ГЛАВА 4. ЭЛЕКТРОННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ШИН РАЗВОДКИ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ УЗЛОВ И БЛОКОВ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СРЕДСТВ
4.1. Актуальность проектирования системы разводки электропитания по критериям целостности логических сигналов
4.2. Электрическая модель системы разводки электропитания
4.3. Технология элементной базы и форма импульсного тока в шинах электропитания
4.4. Математические модели шин питания
4.5. Рекомендации по проектированию шин питания устройств ячеечной конструкции
4.6. Разработка алгоритма программы анализа цепей питания
4.7. Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Список сокращений
ЛИТЕРАТУРА
ПРИЛОЖЕНИЕ А. Акты внедрения диссертационной работы

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Целостность сигналов (signal integrity) впервые введена компанией Mentor Graphics в 1995 году работающей в области автоматизации проектирования электроники (EDA - Electronic Design Automation) и вычислительной техники [1, 20, 23, 28, 35, 75, 80].
Указанной технологией (ноу-хау) фирма предпочитает не делиться, поэтому в России эта проблема требует самостоятельного развития.
Технология автоматизированного анализа целостности сигналов (ЦС) многослойных коммуникационных плат является определяющей для вычислительных устройств, работающих в субнаносекундном диапазоне. Указанной технологией (ноу-хау) фирма предпочитает не делиться, поэтому в России эта проблема требует самостоятельного развития. Проблема обеспечения целостности сигналов, предполагающая анализ причин их искажения и разработку методов устранения, играла существенную роль при проектировании вычислительной техники. За последние годы в связи с резким ростом производительности микропроцессоров и вычислительных комплексов, обусловившим переход на сигналы субнаносекундного диапазона, ЦС приобрела ключевое значение и стала предметом ряда основательных исследований и связанных с ними публикаций. В настоящее время технические и эксплуатационные характеристики высокопроизводительных вычислительных систем во многом определяются конструкцией межсхемных соединений и технологией их получения. Необходимость максимального использования скоростных свойств логических элементов субнаносекундного диапазона, вынуждает разработчиков постоянно совершенствовать методы автоматизированного проектирования и оптимизации построения вычислительных средств для обеспечения целостности и высоких характеристик передаваемых цифровых сигналов. Резервы в этом направлении заложены в развитии технологии виртуального математического моделирования переходных процессов при прохождении сигналов в межсхемных соединениях; учете паразитных характеристик реальных соединений на всех уровнях проектируемого устройства; адаптации системы автоматизированного проектирования с целью повышения точности характеристик проектируемых устройств; практическом подтверждении верности принимаемых решений и умения предсказания реальных характеристик соединений. Одним из направлений в этой области исследований является верификация аппаратно программного комплекса с использованием микромоделей для исследования целостности сигналов при проектировании вычислительных средств [1, 20 ,23, 28, 35, 75, 80, 85, 86, 93, 104, 105, 106].
Базовая технология обеспечение целостности сигналов в системе автоматизированного проектирования (САПР) электронных и вычислительных комплексов с использованием аппаратно программных средств может быть создана с использованием средств моделирования и анализа переходных процессов в линии передачи информации на уровне многослойных печатных плат (МПП). Задача электронного конструирования межсхемных соединений с прогнозированием надежности информационного обмена между логическими

Распределения, полученные методом «Монте-Карло» (сплошная линия) и Методом Моментов в пределах доверительного интервала, рассчитанного для среднего значения волнового сопротивления, совпадают. Результат, полученный методом максимальных отклонений, дает превышение, практически, в два раза.
На основании этого сравнения можно заключить, что для получения оперативной информации о разбросе волнового сопротивления печатных линий с достаточной точностью наиболее пригодным является «Метод Моментов».
В соответствии с Методом Моментов, половину поля допуска на результирующий параметр можно рассчитать по формуле:
SZ0 = ^=1A^S2Xi + 3-ZUAjS2xP где: Аи = ^ - коэффициент влияния i,j фактора на выходной параметр;
п - количество параметров распределенных по нормальному закону;
к - количество параметров распределенных по равномерному закону;
Sxij - половина поля допуска на i,j параметр.
Расчетные соотношения для вычисления коэффициентов влияния приведены в таблице 7. Здесь же даны значения конструктивных параметров МПП с различным волновым импедансом.
Таблица
Коэффициенты влияния конструктивных параметров на волновой импеданс
Xi At dZQ Ху 1,1 ~ дхц Z0 Z0 = 54 Ом «Эльбрус-2» Z0 — 63 Ом «Эльбрус-3» (макет) Z0 = 74 Ом «Эльбрус-3» (проект)
Xh мк At Xit мк А, Xi, мк А,
Н Ан 1 'In 4Н ' тг( aW + bT) 750 0,57 600 0,45 890 0,
£r Ае 0,5 5,3 0,5 5,3 0,5 5,3 0,
W Av .( ЬТ 4Н V + aW/ n(aW + ЬТ) 250 0,45 120 0,35 120 0,
Т Ат / аТ 4Н ч + bW/ *П тг(а1Г + ЬТ) 50 0,12 30 0,10 30 0,
Таблица 7 демонстрирует два важных вывода:
• С уменьшением, габаритов полосковой линии происходит перераспределение влияния отдельных конструктивных факторов -волновое сопротивление становится менее критично к разбросу ширины полоски, но усиливается влияние ее толщины;