Организация многоуровневого коммутационного пространства интегральной системы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Организация многоуровневого коммутационного пространства интегральной системы

Рассматривается один из аспектов конструирования интегральных систем, связанный с оптимизацией многоуровневого коммутационного пространства электронного устройства, включающего компоненты, проектируемые по технологии «кристалл / компонент - корпус - печатная плата», размещенные на печатной плате. Технология конструирования ориентирована на эффективную по электрическим характеристикам реализацию межсоединений, использующих коммутационный ресурс всех уровней коммутационного пространства электронного устройства. Технология конструирования предполагает возможность согласованного перераспределения ресурса электрических характеристик по уровням коммутационного пространства и достижения наилучшего сочетания характеристик межсоединения в целом. Рассматриваются также инструменты для апробации предлагаемой методики конструирования межсоединений.

Под интегральной системой в настоящей работе понимается реализация электронного устройства в виде единого конструктивного модуля, объединяющего электронные компоненты различной функциональности и уровня интеграции.

Такая система использует общее многоуровневое коммутационное пространство, выполненное на множестве конструктивов того или иного уровня. Это могут быть объединяемые общей подложкой отдельные цифровые и аналоговые радиочастотные кристаллы, оптические модули, микроэлектромеханические системы, размещенные в корпусе интегральной микросхемы, а также печатный узел, в состав которого микросхема входит.

Технология проектирования интегральных систем, которую назовем здесь традиционной, предполагает участие в проекте групп разработчиков, каждый из которых контролирует свой уровень интеграции, добиваясь эффективных проектных решений на этом уровне.

Таким образом, разработчик микросхемы, например, предъявляет конструктору печатного узла результат своей работы в виде готового изделия с заданным набором характеристик. Конструктор печатного узла уже на своем уровне интеграции добивается требуемых характеристик разрабатываемого электронного устройства. Каждый участник процесса в этом случае видит разрабатываемую электронную систему через свое «окно проекта». Конфликт интересов групп разработчиков практически отсутствует, да он и не предполагается.

На современном этапе развития микроэлектронных технологий и методов автоматизации проектирования возможно совмещение смежных «окон проекта». Это достижимо в рамках технологии проектирования «кристалл / компонент - корпус - печатная плата».

Один из важнейших аспектов проектирования интегральной системы - планирование и оптимизация межсоединений в многоуровневом коммутационном пространстве, образованном иерархией «кристалл/компонент - корпус - печатная плата». Задача конструирования межсоединений на уровне системы в корпусе (СвК) усложняется разнообразием составляющих СвК компонентов, а также многообразием вариантов компоновки кристаллов/ компонентов в корпусе. Количество вариантов компоновки еще больше, если отдельные компоненты СвК конструктивно реализованы в виде корпусированных узлов. Появляются варианты «корпус на корпусе», «корпус в корпусе».

Другой уровень интеграции - печатная плата. По оценке разработчиков, электрические соединения в пределах корпуса микросхемы и соединения на печатной плате оказывают наиболее существенное влияние на быстродействие электронных устройств.

Таким образом, существует множество вариантов объединения компонентов электронного устройства в корпусе и на печатной плате. Значительное влияние способа организации многоуровневого коммутационного пространства электронного устройства на его электрические характеристики делает актуальной задачу оптимизации межсоединений таких многоуровневых коммутационных систем.

Единый цикл проектирования электронных устройств высокого быстродействия по технологии «кристалл/компонент - корпус - печатная плата» позволяет учесть электрофизические характеристики межсоединений на кристалле, подложке, а также характеристики выводов микросхем и печатных проводников, а следовательно и характеристики всего многоуровневого соединения «контактная площадка на кристалле - контактная площадка на печатной плате.

Для успешного решения этой задачи в едином цикле проектирования должны быть совмещены модели фрагментов электрических соединений для кристалла, корпуса и печатной платы. Учитывая число вариантов реализации таких фрагментов соединений, а тем более их комбинаций в пределах соединения в целом, важной является задача выстраивания методики конструирования, направленной на оптимизацию межсоединений.

Электрические параметры и геометрические конфигурации межсоединений специфичны для каждого уровня интеграции. Это обстоятельство усложняет конструирование всей системы соединений.

В логике проектирования по формуле «соединения на кристалле > объединение кристаллов на подложке > соединения на печатной плате» (а сюда следует добавить еще и «вертикальные» составляющие соединений) возможно решение задачи оптимизации критических соединений по частным критериям оптимальности, характерным для того или иного уровня интеграции компонентов печатного узла. Подобный подход не дает глобального эффекта для межсоединения на всем его протяжении.

Постановка задачи экстремального конструирования межсоединений сводится к следующему. Существует некоторое множество транзитных (использующих коммутационный ресурс всех уровней коммутационного пространства) межсоединений. Среди них может быть установлена группа соединений (называемых здесь критическими), для которых вводятся жесткие ограничения на электрические параметры и геометрическую конфигурацию с целью обеспечения целостности и минимизации времени задержки сигналов.

Для каждого из таких соединений устанавливается общий ресурс вектора его параметров. В нашей постановке задачи конструирования межсоединений [1] это ресурс на геометрию (G), электрические параметры (R,L,C,Z,S) и время задержки (T), нормируемый для всего межсоединения. Названный ресурс раскладывается на компоненты по уровням интеграции коммутационного пространства:

интегральный коммутационный электронный

Появляется возможность согласованного перераспределения ресурса R по уровням коммутационного пространства и достижения глобального оптимума для каждого соединения.

Таким образом, необходима разработка модельного ряда для реализации межсоединений и планирования цепочек обработки сигналов в многоуровневом коммутационном пространстве системы «кристалл-корпус-печатная плата».

В простейшем случае эта задача сводится к традиционной геометрической задаче выстраивания топологии межсоединений, в нашем случае усложненной многоуровневым характером коммутационного пространства.

Решение задачи в рассмотренной выше постановке требует проработки ряда организационно-технологических мероприятий, среди которых:

- разработка методики конструирования СвК с учетом интеграции в систему «кристалл/компонент - корпус - печатная плата», направленной на оптимизацию межсоединений;

- разработка компьютерной технологии конструирования систем «кристалл/компонент - корпус - печатная плата» с проекцией на один из существующих программных комплексов для проектирования СнК / СвК.

Для апробации методики конструирования многоуровневого коммутационного пространства выбрана технология проектирования печатного узла с применением программируемых логических интегральных схем.

Существующие компьютерные технологии проектирования электронных устройств с применением ПЛИС допускают контроль параметров межсоединений на уровне кристалла, и, таким образом, позволяют моделировать реализацию проекта по технологии «кристалл-корпус-печатная плата». К тому же это удобный инструмент прототипирования методики конструирования многоуровневого коммутационного пространства.

Суть применения ресурсной модели многоуровневого межсоединения заключается в возможности перераспределять его ресурс между разными уровнями коммутационного пространства. Например, распределять ресурс между уровнями межсоединения «кристалл-корпус» и «корпус-печатная плата». Это позволит исследовать методику балансировки ресурса межсоединения для получения оптимальных параметров по быстродействию.

В основе данной модели находятся экстрагированные параметры соединений на кристалле и на плате.

Выбор программного комплекса для исследования методики конструирования многоуровневых межсоединений обусловлен наличием в его составе инструментов для синхронизации проектов ПЛИС и печатной платы, а также встроенных средств анализа электрических характеристик соединений.

Система проектирования печатных узлов Altium Designer допускает интеграцию в собственный типовой маршрут проектирования инструментов, применяемых для конфигурирования ПЛИС в системе Altera Quartus II.

Программный комплекс Quartus II имеет в своем составе инструменты, позволяющие:

- описывать электронные устройства на языках описания аппаратуры Verilog и VHDL, а также формировать схемы устройств с подключением библиотек сложных функциональных блоков;

- планировать размещение компонентов схемы на кристалле;

- выполнять коммутацию межсоединений;

- выполнять временной анализ цепей;

- выполнять анализ цепей питания.

Таким образом, тандем Altium Designer / Quartus II служит удобным инструментом для исследования и моделирования методики конструирования многоуровневого коммутационного пространства системы «кристалл-корпус-печатная плата».

Размещено на Allbest.ru