Важнейшие результаты

На протяжении десяти лет в отделе методологии проектирования интегральных схем ведутся исследования в области нетрадиционных непозиционных принципов построения высокопроизводительных отказоустойчивых вычислительных средств. Данное направление было открыто академиком Стемпковским А. Л. в рамках отдела методологии вычислительных процедур, которое возглавлял заслуженный ученый Амербаев В.М. В рамках этого направления был предложен ряд эффективных структур на базе модулярной арифметики, таких как модулярная логарифметика, бимодульная арифметика и рекурсивная модулярная арифметика (см. статью в Википедии), предложенная академиком Стемпковским А. Л.. Вычисления в рамках этих систем ведутся независимо и параллельно, что обеспечивает высокую пропускную способность, а также гибкость при масштабировании схемы.

Совокупность творческих результатов коллектива ученых привела к созданию широкого ряда IP генераторов для устройств цифровой обработки сигналов, выполненных на базе модулярных вычислительных структур, среди которых устройство вычисления преобразования Фурье, устройство вычисления циклической свертки, а также фильтр с конечной импульсной характеристикой. Предлагаемые методы позволяют создавать высоконадежные микроэлектронные цифровые вычислительные устройства, конкурирующие по аппаратным затратам с устройствами на базе традиционной арифметики и существенно (до двух и более раз) превосходящие их по быстродействию.

В настоящее время в Отделе методологии проектирования интегральных схем коллективом учеников Амербаева В.М. (Балака Е.С., Тельпухов Д.В., Соловьев Р.А.) под руководством ак. Стемпковского продолжаются работы в данном направлении. Доказательством успешности данной работы служит присуждение в 2015 году сотрудникам отдела медалей Российской академии наук с премиями для молодых ученых России за научно-исследовательскую работу "Разработка микроэлектронных устройств цифровой обработки сигналов с применением математического аппарата системы остаточных классов".

В рамках данного направления были разработаны оригинальные методы и подходы, направленные на повышение надежности интегральных схем на разных иерархических уровнях.

Разработаны методы повышения логической устойчивости комбинационных участков интегральных схем к случайным сбоям на основе методов локального ресинтеза логической схемы, а также за счет усовершенствования традиционных методов кратного резервирования. Также в рамках этого направления были разработаны новые эффективные метрики для оценки логической устойчивости.

Разработаны методы адаптации кодовых методов обнаружения и исправления ошибок в информационных каналах связи к области проектирования самопроверяемых комбинационных схем.

Разработан комплекс методов для обеспечения сбоеустойчивости интегральных схем на технологическом и схемотехническом уровне.

Предлагаемые методы и подходы в комплексе позволят расширить диапазон допустимых внешних воздействий и увеличить срок службы ответственной аппаратуры, включая и изделия космического назначения. Результаты могут быть востребованы для решения широкого класса задач проектирования быстродействующих и отказоустойчивых микроэлектронных устройств с различной степенью интеграции: IP-блоками, радиационно-стойкими устройствами и «системами на кристалле».

• Разработана оригинальная потоковая модель вычислений с динамически формируемым контекстом (функционирующая в парадигме «раздачи»), которая принципиально отличается от традиционной (фон-неймановской) модели вычислений.
• Разработана новая базовая архитектура и система команд параллельной потоковой вычислительной системы (ППВС) «Буран», реализующей потоковую модель вычислений с динамически формируемым контекстом. Вычислительная система ориентирована на эффективное решение актуальных задач при работе с разреженными и сложноорганизованными данными.
• Предложена высокоуровневая абстракция модели вычислений, реализуемой в рамках параллельной потоковой вычислительной системы. Обобщенная модель вычислений дает возможность абстрагироваться от аппаратуры, что позволяет создавать параллельное программное обеспечение, реализуемое на различных архитектурах с разными системами команд. Модель вычислений и, соответственно, программирование строятся по единой логике, не зависящей от конкретной аппаратной реализации, что позволяет избавить программистов от подробного изучения аппаратной реализации архитектуры. Воплощением абстрактной модели вычислений, управляемых данными, является язык PolyDFL. Он позволяет выразить более широкий класс алгоритмов и форм параллелизма, чем язык DFL. Создана грамматика, синтаксис и семантика языка.
• Разработаны алгоритмы анализа последовательных программ, которые позволяют выявлять и описывать потоковые зависимости. Потоковые зависимости используются при создании компилятора в параллельный язык высокопроизводительной потоковой вычислительной системы. Данный результат является базовым для создания алгоритма перевода последовательной линейной программы на языке Фортран-90 в параллельную программу на языке PolyDFL. Язык PolyDFL ориентирован на эффективное использование в высокопроизводительной параллельной потоковой вычислительной системе.
• Создан программный испытательный комплекс ППВС «Буран», главным элементом которого является поведенческая блочно-регистровая модель базовой архитектуры ППВС «Буран». Этот комплекс позволяет моделировать работу блоков и отдельных устройств системы при различных конфигурациях и с изменением задержек. Модель работает с различным уровнем абстракции каждого блока, выполняет программы, созданные для ППВС «Буран».
• В рамках программного испытательного комплекса ППВС «Буран» создан метод и разработан алгоритм визуализации в динамическом режиме процесса прохождения задачи. Созданы средства получения и обработки статистической информации по отдельным узлам и системе в целом, а также отображения этой информации в графическом виде. Показаны возможности, предоставляемые для исследования прохождения программ на поведенческой модели параллельной потоковой вычислительной системы.
• Разработан программный эмулятор параллельной потоковой вычислительной системы, реализованный на высокопроизводительном суперкомпьютерном кластере, позволяющий проводить анализ масштабирования сложных актуальных задач, созданных в оригинальной потоковой парадигме программирования.
• Созданы масштабируемые параллельные алгоритмы различных актуальных задач для параллельной потоковой вычислительной системы, обеспечивающие высокую степень распараллеливания.
• Разработаны принципы программирования ППВС «Буран» и запрограммирован ряд задач, представляющих научный и практический интерес: задачи газодинамики, телекоммуникационные задачи, молекулярная динамика и другие, оформлено 16 свидетельств об интеллектуальной собственности на программы.
• Разработаны новые методы работы с ассоциативной памятью.
• Получено 18 патентов на полезную модель и 1 патент на изобретение.

• Разработан эффективный вычислительный метод исследования устойчивости установившегося периодического режима для нелинейных радиотехнических схем высокого порядка позволяющий: получить характеристики состояния; обеспечить расчет полюсов функции схемы; определить запас устойчивости; определить чувствительность полюсов к изменению параметров схемы.
• Предложена новая вычислительная модель для расчета фазового шума автогенераторных схем в рамках теории линейно-зависимых от времени шумовых моделей, позволяющая сохранять устойчивость вычислений во всем диапазоне моделирования и обеспечивающая корректность результатов практического моделирования фазового шума в генераторах.
• Предложен метод повышения эффективности моделирования кольцевых автогенераторов с идентичными каскадами, позволяющий получить ускорение моделирования кольцевых автогенераторов методом гармонического баланса в среднем на два порядка при сохранении точности расчетов. Метод применён в системах автоматизации схемотехнического проектирования.
• Предложен новый подход к анализу режима синхронизации автогенераторных схем, обеспечивающий моделирование произвольного периодического воздействия малой амплитуды, позволяющий получить нелинейное уравнение относительно фазы синхронизированных колебаний и общее выражение для допустимого диапазона частот внешнего возбуждения. В отличие от известных методов новый подход не ограничен слабонелинейными схемами и гармоническим возбуждением и применим к анализу произвольной автогенераторной схемы при произвольном возбуждении.
• Предложена концепция событийного моделирования для многоскоростного интегрирования в численном анализе СБИС на базе вычислительных критериев события. На основе А-устойчивых методов Розенброка разработан алгоритм, обеспечивающий автоматическое разделение быстрых и медленных переменных в процессе численного интегрирования систем ОДУ высокой размерности. Алгоритм существенно повышает эффективность моделирования благодаря учёту временной разреженности при сохранении стандартных методов контроля точности численного интегрирования. Новая концепция и разработанный алгоритм обеспечивают распространение принципа событийности при анализе цифровых схем на моделирование аналоговых и смешанных систем.

Предложен новый метод формирования макромодели для межсоединений СБИС, позволяющий определять порядок макромодели по заданной точности, что дает возможность в среднем вдвое снизить порядок макромодели по сравнению с моделью, полученной традиционными методами Крыловских подпространств.

• Разработаны эффективные модели для анализа и оптимизации СБИС, обеспечивающие учет новых требований современных нанометровых технологий изготовления микросхем, гарантирующих существенное повышение качества проектирования за счет учета разнородной проектной информации. В отличие от известных методов, предлагаемый подход обеспечивает исчерпывающий анализ быстродействия схемы при различных входных воздействиях благодаря сочетанию логического анализа с детальным анализом задержек, емкостей и проводимостей на транзисторном уровне. Практическая значимость полученных результатов заключается в значительном ускорении процесса разработки сложных функциональных блоков заказных СБИС.
• Разработан новый метод характеризации моделей стандартных цифровых вентилей для логико-временного анализа цифровых КМОП СБИС с учетом деградации пороговых напряжений транзисторов для технологий с размерами транзисторов в нанометровом диапазоне. В отличие от известных подходов к анализу эффектов деградации на электрическом уровне, предлагаемый подход состоит в комплексном анализе всей схемы с учетом корреляций на логическом уровне. Полнота анализа схемы достигается за счет вероятностного подхода к анализу логических состояний с учетом корреляций, а также за счет квадратичной аппроксимации задержек и длительностей фронтов на этапе характеризации вентилей.
• Разработаны новые методы анализа помехоустойчивых нанометровых цифровых схем, пригодные для практического использования при разработке цифровых СБИС и значительно повышающие надежность их проектирования. Разработаны и исследованы методы анализа помех, являющихся результатом емкостных связей между проводниками и приводящих к заметному изменению быстродействия и логики работы схемы.

• Разработаны модели и алгоритмы проектирования миниатюрных интегрированных навигационных систем (ИНС) на основе распределенного множества полупроводниковых сенсоров и спутниковых GPS\Глонасс приемников. Предложены структура и компоненты среды проектирования и моделирования ИНС, использование которых позволяет оперативно проводить оценку основных характеристик навигационных микросистем, реализуемых на основе предложенного подхода. Результаты могут быть использованы как дешевое высокоточное навигационное оборудование для любых движущихся объектов - снарядов, ракет, самолётов, кораблей, наземной техники и т.п..
• Разработаны новые модели и алгоритмы разрешения фазовых неопределенностей для одночастотных GPS\ГЛОНАСС приемников, обеспечивающие построение миниатюрных многоантенных навигационных систем реального времени с дециметровым уровнем точности определения относительных координат, габаритно-весовые и стоимостные характеристики которых значительно ниже характеристик традиционных навигационных систем, реализуемых на основе двухчастотных GPS\ГЛОНАСС приемников.

Разработана библиотека базовых блоков для создания БиКМОП интегральных радиочастотных схем (РЧ-схем), обеспечивающих проектирование радиоприемных устройств, работающих в метровом и дециметровом диапазонах волн, при максимальной частоте принимаемого сигнала до 1 ГГц. Наличие такой библиотеки позволяет разрабатывать однокристальные БиКМОП интегральные радиоприемные устройства широкого применения (например, приемные тракты пейджеров и радиотелефонов), обеспечивая сокращение сроков и повышение качества проектирования СБИС РЧ-схем.

• Результат 1
  Разработаны и исследованы архитектурно-схемотехнические решения для быстродействующих экономичных потоковых КМОП АЦП. Изготовлены образцы с проектной нормой 180 нм, которые, обладая динамическими характеристиками близкими к функциональному аналогу AD9233 компании Analog Devices, потребляют от источников питания в 2 раза меньше энергии. Полученный результат защищен патентами РФ 2352061, 2341017, 2442279.
• Результат 2
  Разработан и совместно с компанией ПКК Миландр освоен в серийном производстве прецизионный преобразователь напряжение-частота. Его отличительной особенностью является широкий динамический диапазон входного сигнала, превосходящий 18 цифровых разрядов.

• Разработаны элементы КМОП-ФД СБИС, обеспечивающие аппаратное выделение контуров на изображении и выделение движущихся фрагментов на изображении путем аппаратной реализации межкадрового вычитания, что позволяет примерно на два порядка сократить временные затраты по сравнению с выполнением аналогичных операций на сигнальных процессорах.
• Разработан метод проектирования фотодиода и его математическая модель, позволяющие разработать фотоприемный элемент, реализующий в аналоговой форме сразу несколько пространственных фильтров.
• Разработан новый метод моделирования выходного сигнала фотоприемной матрицы (ФМ), в основе которого лежит применение аппроксимации выходного сигнала отдельного фотоприёмного элемента (ФЭ), которую получают после двух- или трехмерного численного приборно-технологического моделирования. Метод позволяет с приемлемыми для практического проектирования вычислительными затратами моделировать отклик ФМ на входной оптический сигнал с произвольным двумерным распределением мощности излучения при условии двух- или трехмерного приближения реальной объемной структуры ФЭ.

• Разработаны конфигурации устойчивых доменных структур в магнитных пленочных элементах с одноосной анизотропией. Показано, что в отсутствии внешнего поля элементы могут иметь либо одно размагниченное симметричное состояние либо пару несимметричных состояний с ненулевой результирующей намагниченностью в зависимости от геометрии. Установлена форма элемента с безразличным равновесным положением доменной границы и малыми полями переключения ячейки. Такой элемент может служить логической ячейкой для скоростной обработки оптической информации.
• Разработаны новые конфигурации и рассчитаны характеристики переключаемых ячеек магнитооптического транспаранта для параллельных вычислительных операций в потоке поляризованных световых импульсов. Транспарант основан на использовании двухдоменных элементов с перпендикулярной (феррит-гранатовые пленки) или с плоскостной анизотропией (пермаллоевые пленки). Магнитостатический барьер движению доменной границы компенсирован созданием рельефа длины и полной поверхностной энергии доменной границы. Это позволило упростить форму ячеек, повысить плотность записи и уменьшить разброс параметров переключения ячеек.
• На основе теоретического предсказания принципа функционирования разработаны и изготовлены макетные образцы матриц размерностью 5х5 чувствительных монодоменных элементов на основе феррит-гранатовых эпитаксиальных структур с намагниченностью насыщения в диапазоне 25 – 50 Гс. Экспериментально исследованы характеристики матриц и показано, что чувствительность сенсоров в матрице может превышать величину ~ 10-3 А/м•Гц1/2, что впервые позволяет определить распределение поля рассеяния 1 магнитной наночастицы на расстоянии 10 - 100 мкм. Показано, что матрицы должны состоять из мостиков в сетке прямолинейных или криволинейных полосок, вытравленных в феррит-гранатовой пленке, с доменами обратной фазы намагниченности в узлах сетки. Разработанная матрица сверхчувствительных сенсоров может быть интегрирована в конструкции биочипов для анализа жидких проб посредством магнитных меток и/или для исследования микро- и нанотоков в тканях живых организмов.
• Получены экспериментальные зависимости магнитооптического сигнала от толщин слоев двухслойных наноструктур структуры Ta/Py и Мо/Py. Впервые обнаружены эффекты непериодического изменения знака и амплитуды сигнала экваториального эффекта Керра в двухслойных структурах магнитных и нормальных переходных металлов по мере увеличения толщины структур до 200 нм. Показано, что магнитооптический сигнал от пленки нормального переходного металла, может в 3-5 раз превышать сигнал от нижележащей пленки ферромагнитного металла. Усиление сигнала зависит от толщин пленок нормального и ферромагнитного металлов: растет с уменьшением толщины ферромагнитного металла и с ростом толщины нормального металла. Таким образом, ферромагнитная пленка может служить лишь в качестве тонкой “затравки” толщиной до 10 нм для получения сигнала, достаточного для повышения чувствительности биосенсоров посредством магнитооптической регистрации плазмонного резонанса.