Разработка и исследование распределенной подсистемы конструкторского проектирования электронных схем

За последние 30−40 лет ИТ стремительно развивались и прошли путь от технологий решения частных математических и технических задач на вычислительных центрах общего пользования с ЭВМ первых поколений до корпоративных информационных систем и САЬ8-технологий, обеспечивающих информационную поддержку бизнес — процессов на всех этапах жизненного цикла продукта. Современные проблемы САПР возникают в основном из-за высоких темпов прогресса базы ВТ, повсеместного распространения средств глобальной коммуникации, требований эргономичности и быстрого морального устаревания технологий. К их числу относятся:

• проблема критичности времени, требующегося для создания изделия и организации его продажи;

• проблема повышения качества процессов проектирования и производства;

• проблемы, связанные с конкуренцией на рынке эксплуатационного обслуживания;

• проблемы, связанные с непосредственным снижением затрат.

Для решения этих проблем недостаточно простой автоматизации процессов проектирования, нужна их рационализация. Следует заметить, что современные САПР ориентированы прежде всего на предоставление единого информационного пространства для объединения усилий многих проектировщиков и организацию по поддержанию жизненного цикла проектируемого изделия. А это требует объединения входных и выходных потоков различных приложений и модулей, разработанных разными разработчиками. Для поддержания работоспособности системы в целом, это объединение должно реа-лизовываться на основе стандартных технологий и протоколов. Необходимость идти в ногу со временем требует от САПР гибкости, легкости изменений, высокой реактивности. Эти требования противоречат самим принципам построения’сложных систем, и уже существует мнение [1], что в дальнейшем получат новый толчок к развитию несложные, функциональные, ориентированные на выполнение малых задач САПР.

С другой стороны, уровень современных средств коммуникации и средств вычислительной техники таков, что возрастает целесообразность построения различных вариантов систем параллельных вычислений. Для этого имеется ряд предпосылок [2]:

• Скорость передачи данных стала достаточной для эффективной передачи больших их объемов.

• Появляются все более сложные задачи и накапливаются все большие объемы данных, для работы с которыми нужны очень большие вычислительные мощности, а имеющихся ресурсов быстро начинает не хватать.

• Имеется возможность использовать в качестве элементов дешевые компьютеры и бесплатное программное обеспечение.

• Разработаны стандарты для различных технологий построения систем параллельной обработки информации.

Добиться существенного повышения производительности САПР только за счет увеличения мощности вычислительных ресурсов или оптимизации алгоритмов на сегодняшний день достаточно проблематично. Более того, использование и модернизация отдельного компьютера, не входящего в сеть, уже не актуальна, поскольку все большее распространение получает такой вид параллельной обработки, как системы удаленных и распределенных вычислений. Вместе с тем в данном направлении в контексте САПР существует ряд проблем, не получивших приемлемого разрешения. В частности, разделение сложной задачи конструкторского проектирования на относительно независимые части для обработки их на разных машинах не получило большого распространения. Для исследования целесообразности создания САПР на основе распределенных систем вычислений и изучения особенностей проектирования в таких системах предполагается разработать систему для решения задач конструкторского проектирования, использующую ресурсы ЛВС. При 5 этом желательно использовать известные алгоритмы конструкторского проектирования для корректного сравнения эффективности разработки с сосредоточенными системами. Предполагается, что такая система позволит сократить время разработки при сохранении качества получаемого решения. В этой связи, тема работы является АКТУАЛЬНОЙ.

Цель диссертационной работы состоит в разработке распределенной подсистемы автоматизированного конструкторского проектирования электронных схем и исследовании ее эффективности.

Достижение указанной цели предполагает решение следующих основных задач:

• Построение моделей процесса проектирования схем для теоретической оценки временной сложности процесса проектирования (ВСПП);

• Разработка системы моделирования работы распределенной САПР (РСАПР) для проверки основных теоретических положений и выявления неучтенных факторов, влияющих на ВСПП;

• Теоретическое обоснование выявленных факторов, усовершенствование моделей процесса проектирования с целью учета числа цепей в схеме;

• Разработку действующего экспериментального образца распределенной подсистемы автоматизированного конструкторского проектирования электронных схем.

Для решения поставленных задач в диссертационной работе используются: элементы теории графов, комбинаторики, системного анализа, математической статистики, численные методы.

Научная новизна работы заключается в установлении и обосновании существования оптимального числа компьютеров-клиентов в архитектуре РСАПР, позволяющего получить максимальный временной выигрыш относительно сосредоточенной САПР. Эта научная новизна является обобщением частных новых результатов, среди которых основными являются:

1. Формализованное описание клиент-серверной модели распределенной подсистемы конструкторского проектирования, позволившей: а) получить новый результат, определяющий наличие оптимального числа компьютеров-клиентов для получения максимального временного выигрыша в зависимости от параметров схемыб) предельные временные возможности проектирования электронных схем распределенной подсистемой;

2. Двухэтапный итерационно-последовательный алгоритм размещения пограничных элементов в блоках с использованием принципов факторизации и силовой релаксации;

3. Статистическая закономерность зависимости числа межблочных цепей, позволившая рассчитывать оптимальное число компьютеров-клиентов в распределенной подсистеме конструкторского проектирования;

4. Структура распределенной подсистемы конструкторского проектирования, позволяющая распараллеливать решение задач конструкторского проектирования;

Решение поставленных задач позволяет автору защищать следующие новые научные результаты:

1. Обобщенный критерий оценки эффективности распределенной САПР;

2. Статистическая закономерность зависимости числа межблочных цепей, позволившая рассчитывать оптимальное число компьютеров-клиентов в распределенной подсистеме конструкторского проектирования;

3. Формализованное описание клиент-серверной модели распределенной подсистемы, позволившее получить предельные временные возможности проектирования электронных схем;

4. Структура распределенной подсистемы конструкторского проектирования, позволяющая существенно сократить время проектирования электронных схем;

5. Статистическая зависимость выигрыша по времени проектирования на распределенной САПР по результатам экспериментальных исследований.

Практическая ценность результатов диссертационной работы заключается в создании:

• имитационной модели распределенной подсистемы конструкторского проектирования электронных схем;

• формирователя моделей принципиальных схем с заданными топологическими свойствамираспределенной подсистемы конструкторского проектирования, включающей генератор моделей схем, реализацию алгоритмов решения основных задач конструкторского проектирования, и оболочку, осуществляющую управление данными.

Реализация осуществлена на объектно-ориентированном языке С++ в среде Borland Builder 6.0. Отладка, тестирование и эксперименты проводились на базе ЛВС из 15 ЭВМ типа IBMPC (Intel® Core™ 2Duo Е7500 @ 2.93 GHz, 4 Gb ОЗУ).

Реализация результатов работы.

Основные теоретические и практические результаты диссертационной работы использованы в госбюджетных работах № 2.1.2. 1652, № 12 353 «Разработка принципов построения интеллектуальных САПР», выполняемых в ТТИ ЮФУ при поддержке грантов РФФИ № 10−01−115, № 10−190 017, № 09−07−318-Бел-а, в НКБ МИУС при ТТИ ЮФУ в работе АИС-08. Материалы диссертации использованы также в учебном процессе на кафедре САПР ТТИ ЮФУ при чтении лекций, проведении практических и лабораторных занятий по курсам «Автоматизация конструкторского и технологического проектирования» и «Разработка САПР».

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались автором и обсуждались на международных научно-технических конференциях «Интеллектуальные системы (IEEEAIS'06)"h «Интеллектуальные САПР (CAD-2006)», «Интеллектуальные системы (IEEEAIS'07)"h «Интеллектуальные САПР (CAD-2007)», «Интеллектуальные системы (IEEEAIS'08)"h «Интеллектуальные САПР (CAD-2008)» — г. Геленджик, 2006 — 2008 гг.- на международных Конгрессах по интеллектуальным системам и информационным технологиям «AIS-IT' 09» и «AIS-ГГ 11» — (г. Геленджик 2009 — 2011 гг.), на Всероссийских научно-технических конференциях «Радиоэлектроника, микроэлектроника, системы связи и управления» — (г. Таганрог 2006 — 2010 гг.), на ежегодных научно-технических конференциях студентов и аспирантов ТТИЮФУ -(2006;20 010 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 печатных работ, в том числе 3 работы в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях из перечня ВАК, 2 свидетельства о регистрации программ для ЭВМ.

Структура и объём диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа содержит 160 стр., а также 81 рисунок, 8 таблиц, список литературы из 105 наименований, 10 стр. приложений и актов об использовании.

4.2 Выводы.

• Выигрыш на схемах с малым количеством элементов достигает 3-х кратного уменьшения времени проектирования;

• на схемах с малым количеством элементов оптимальное число компьютеров-клиентов смещается в сторону больших значений, по сравнению" с более сложными схемами [102−105];

• выигрыш по времени обратно пропорционален загруженности схемы цепями, однако с ростом размерности схемы влияние загруженности на выигрыш ослабевает [102−105];

• при увеличении размерности схемы оптимальное число комьютеров-клиентов смещается в сторону меньших значений, и составляет 3 клиента;

• выигрыш при увеличении размерности схемы уменьшается достаточно резко, затем стабилизируется в районе 1,3.

В результате проведенных экспериментов был выяснен характер зависимости выигрыша от размерности схемы. Такой характер может быть объяснен с точки зрения сложности применяемого алгоритма трассировки. В программе применяется волновой алгоритм Ли, время его работы возрастает прямо пропорционально площади ДРП, причем зависимость квадратичная. Соответственно, чем большего размера схема разбивается, тем больше в общем случае будет доля работы дотрассировки относительно клиентов в силу разности площадей ДРП у клиентов и сервера. И, следовательно, уменьшается доля работы, которую можно распараллелить. За счет чего уменьшается выигрыш. На малых же схемах разница не велика, и поэтому растет выигрыш, и смещается оптимум разбиения в сторону увеличения числа блоков. Одним из путей решения этой проблемы является применение алгоритмов трассировки, слабо зависящих от площади ДРП [102−105].

Заключение

.

1. В результате проведенного анализа существующих средств, платформ и технологий распределенных вычислений выявлена возможность распараллеливания задач конструкторского проектирования, благодаря чему уменьшается время решения конструкторских задач.

2. Разработаны модели представления процесса проектирования на распределенной системе, и оценен возможный временной выигрыш.

3. Введена временная сложность процесса проектирования, как критерий эффективности РСАПР.

4. Приведена и проанализирована динамика теоретического выигрыша по времени проектирования на РСАПР.

5. Произведена теоретическая оценка предельных возможностей РСАПР.

6. Разработана и исследована программа моделирования РСАПР для экспериментальной проверки теоретических результатов.

7. Разработана архитектура распределенной подсистемы конструкторского проектирования.

8. Реализованы алгоритмы компоновки, размещения и трассировки для выполнения проектных процедур.

9. Разработан и реализован двухэтапный итерационно-последовательный алгоритм размещения пограничных элементов в блоках с использованием принципов факторизации и силовой релаксации.

10.Разработана блочная структура серверной и клиентской частей распределенной подсистемы.

11.Реализована распределенная подсистема конструкторского проектирования с возможностью расширения за счет подключаемых модулей.

12.Проведены исследования влияния различных параметров схем на динамику выигрыша по времени процесса проектирования распределенной подсистемы относительно сосредоточенной.

В результате проведенных исследований было установлено, что значения выигрыша по времени проектирования колеблются в диапазоне значений от 1.3 до 3 раз. Данный результат позволяет наметить дальнейшие направления исследований:

• модификация моделей процесса проектирования с целью оценки применимости РСАПР для проектирования СБИС различных типов;

• перевод разработанной системы на платформу распределенных вычислений с целью выявления критически важных для реализации распределенной подсистемы конструкторского проектирования особенностей таких платформ;

• исследование особенностей различных алгоритмов решения задач конструкторского проектирования с целью адаптации их к распределенной подсистеме конструкторского проектирования;

• исследование возможностей и эффективности распараллеливания работы эволюционных алгоритмов конструкторского проектирования на разработанной подсистеме.