Техническое обоснование необходимости совершенствования элементной базы современных и перспективных РЭС на базе ПЛИС

⇐ ПредыдущаяСтр 3 из 7Следующая ⇒

Период экономического спада 1990-х гг. существенно сказался на всех отраслях народного хозяйства и в первую очередь, на развитии радиоэлектронной промышленности, изделия которой являются базовыми для радиоэлектронной аппаратуры (РЭА). Следует отметить, что РЭА является основной составной частью современных и тем более перспективных образцов вооружения, военной и специальной техники (ВВСТ), средств автоматизации управления и информационного обеспечения, во многом определяет их тактико-технические характеристики.

Большинство состоящих на вооружении и эксплуатируемых в настоящее время образцов ВВСТ было разработано в 1970-1980-е гг. Радиоэлектронная аппаратура этих образцов была реализована на элементной базе 3-го поколения, включающей интегральные микросхемы малой и средней степени интеграции. За прошедшие десятилетия (30-40 лет) элементная база прошла несколько поколений развития: появились большие (БИС), сверхбольшие интегральные микросхемы (СБИС) и на их основе - современные системы на кристалле (СнК).

Таким образом, можно констатировать, что в эксплуатируемых и еще морально не устаревших образцах вооружения стоит морально и физически устаревшая элементная база. Налицо устоявшаяся диспропорция темпов морального старения образца вооружения и физического и морального старения элементной базы.

Указанная диспропорция создала громадные трудности обеспечения эксплуатации РЭА, собранной на устаревшей элементной базе. Положение усугубляется еще тем, что в связи с развалом Советского Союза и экономическим спадом многие типы интегральных микросхем малой и средней степени интеграции были сняты с производства ввиду нерентабельности, вследствие чего появилась так называемая «проблемная» элементная база.

До сих пор сложившаяся ситуация разрешалась преимущественно не системно и не на государственном, а на ведомственном уровнях. Применяемые способы ее разрешения можно объединить в два.

Первый способ заключался в том, что в серийных образцах ВВСТ было разрешено в исключительных случаях использовать элементную базу импортного производства. Ведь применение импортных комплектующих было удобно разработчику, который легко выполнял с ее использованием самые строгие требования заказчика по надежности, массогабаритным характеристикам и энергопотреблению.

В результате сегодня проблема элементной базы приобрела такую остроту, что ставит под угрозу обеспечение национальной безопасности государства.

Второй способ заключался в восстановлении производства морально устаревшей элементной базы или ее замены на более современные и еще не снятые с производства аналоги. Первые же примеры использования данного способа показали его экономическую неэффективность и техническую неоправданность.

Экономическая неэффективность связана с тем, что замена устаревшей и не выпускаемой элементной базы на новую серию требует дорогостоящего перепроектирования типовых элементов замены (ТЭЗ) и переработки печатных плат под микросхемы другой серии.

Это требует разработки практически заново функциональных и принципиальных схем, полной переработки тестов функционального контроля, новой организации настройки и повторного испытания аппаратуры, перевыпуска обновленной конструкторской и технологической документации и т.д.

Техническая нецелесообразность связана с тем, что количество комплектующих в этом случае остается практически на прежнем уровне. Следовательно, на прежнем уровне остаются и эксплуатационные характеристики изделий, в том числе их надежность. При этом следует отметить, что чаще всего микросхемы, выпуск которых возобновляется, обладают худшими характеристиками, чем ранее. Это неисправимо и связано с целым рядом объективных и субъективных факторов. На практике применение «возобновленных» микросхем приводят к серьезному ухудшению боевых и эксплуатационных характеристик ВВСТ.

Таким образом, финансовые и производственные затраты на возобновление производства «старых» комплектующих не приводят к улучшению технических и эксплуатационных характеристик РЭА.

Представляется, что единственным оправданным выходом из сложившейся кризисной ситуации может быть внедрение технологии виртуальной элементной базы на основе использования «систем на кристалле» [[1], [2], [3]].

Основной базовой операцией технологии виртуальной элементной базы является операция «свертки», которая предполагает интеграцию комплектующих, реализованных на устаревшей элементной базе, в кристалл с более высокими технологическими нормами. «Свертка» может включать несколько уровней.

«Свертка» первого уровня включает замену ранее установленных в типовой элемент замены (ТЭЗ) интегральных микросхем малой степени интеграции и других дискретных элементов на СБИС с сохранением типоразмера ТЭЗ и базового разъема, посредством которого ТЭЗ сопрягается с аппаратурой более высокого конструкционного уровня иерархии (например, в блок, пульт или стойку).

Осуществление «свертки» РЭА первого уровня полностью восстанавливает ресурс ТЭЗа с уже более высокими показателями надежности, что позволяет значительно продлить срок службы морально не устаревших образцов ВВТ.

Следует обратить внимание на тот факт, что при осуществлении «свертки» первого уровня не требуется дорогостоящей переработки конструкции, кабельных разводок, интерфейса и соответствующей конструкторской, рабочей и эксплуатационной документации модернизируемой РЭА.

В исключительном большинстве случаев «свертка» первого уровня предполагает, что вся конструкция остается прежней, но на плате, в ячейке, блоке или любом другом объекте сам ТЭЗ вместо большого количества комплектующих элементов будет включать один или несколько кристаллов в виде БИС или СБИС.

Другими словами, новые комплектующие, а именно специализированные БИС и СБИС, остаются смонтированными в старые конструктивы (платы, блоки, стойки, шкафы). При этом площадь таких конструктивов значительно высвобождается.

Технология виртуальной элементной базы предполагает, что «свернутая» в БИС и СБИС аппаратура оформляется в виде IP-блоков (Intellectual Property - интеллектуальная собственность) и включается в библиотеку фрагментов схем разработчика РЭА. В результате осуществления последовательных «сверток» библиотека фрагментов схем постоянно расширяется и может быть использована в качестве некоторых стандартных элементов (комплектующих) для дальнейших «сверток».

Таким образом, отличительной чертой технологии виртуальной элементной базы или одним из основных составляющих этой технологии является наличие развитой и постоянно пополняющейся библиотеки IP-блоков.

Недостатком «свертки» первого уровня является то, что свернутая аппаратура (вновь спроектированные специализированные БИС и СБИС) остаются в окружении старых конструктивов (плат, блоков, стоек, шкафов), причем в этих конструктивах высвобождается значительная площадь.

«Свертка» второго уровня устраняет указанный недостаток и предполагает дальнейшую «свертку» БИС и СБИС, полученных в результате «свертки» 1-го уровня и оформленных в виде IP-блоков, в один кристалл. В результате изменяется конструкция РЭА (замена шкафа на блок или даже на плату).

Использование более глубокой интеграции элементов в кристалле субмикронных или нанотехнологий при «свертке» РЭА второго уровня может существенно изменить облик модернизируемых образцов ВВСТ и повысить их мобильность (например, стационарные образцы ВВСТ сделать возимыми, а возимые - сделать носимыми при существенном улучшении их тактико-технических характеристик).

Появляется возможность всю радиоэлектронную аппаратуру образца ВВСТ разместить на одном кристалле (например, приемный тракт РЛС, навигационный приемник или навигационно-связной терминал и т.д.).

«Свертка» 1-го уровня может проводиться поэтапно и многократно, причем количество этапов зависит от состояния морального старения образца ВВСТ и экономических возможностей заказчика. В первую очередь сворачивается та аппаратура, которая включает проблемную элементную базу, т.е. морально устаревшие комплектующие, выпуск которых прекращен или существенно ограничен и будет прекращен в ближайшем будущем, или импортную элементную базу.

Второй уровень «свертки» может привести к созданию нового образца вооружения. Для осуществления «свертки» 2-го уровня не требуется больших капиталовложений и временных затрат. При ее осуществлении можно полностью использовать результаты проведения «сверток» 1-го уровня.

Технология виртуальной элементной базы существенно отличается от практиковавшейся ранее частичной или полной замены устаревшей элементной базы.

Во-первых, замена большого количества комплектующих на одну или несколько СБИС уменьшает в сотни раз количество межсоединений, что приводит к существенному повышению надежности аппаратуры.

Во-вторых, сокращение числа микросхем на плате до одной или нескольких БИС или СБИС при использовании современных технологий их проектирования и изготовления позволяет, как минимум, на порядок снизить потребляемую ими мощность.

В-третьих, замена большого количества комплектующих на одну-две СБИС при незначительной конструкторской доработке может значительно уменьшить массогабаритные характеристики аппаратуры.

В-четвертых, возможность полного сохранения интерфейса печатной платы или иного типового элемента замены, позволяет осуществить замену устаревшей элементной базы на современную в максимально сжатые сроки.

И, наконец, замена относительно большого количества размещенных на плате микросхем и других комплектующих на одну или несколько СБИС экономически выгодна.

Технология виртуальной элементной базы - это новый экономически оправданный путь разработки, производства и постоянного совершенствования РЭА для эксплуатируемых, модернизируемых и перспективных образцов ВВСТ. Она позволяет решить ряд сложных проблем, связанных с обеспечением требуемых технико-экономических характеристик РЭА в течение всего срока эксплуатации, существенно повысить тактико-технические характеристики образцов ВВСТ и, в конечном итоге, продлить сроки службы или жизненный цикл эксплуатируемых и морально не устаревших образцов ВВСТ.

Внедрение технологии виртуальной элементной базы в РЭА может осуществляться на различных этапах жизненного цикла образцов ВВСТ.

Для эксплуатируемых образцов ВВСТ применение технологии виртуальной элементной базы и, в частности многоэтапных «сверток» первого уровня, позволяет: выровнять диспропорцию морального старения элементной базы РЭА и эксплуатируемого образца ВВСТ; решить проблему поддержания требуемых технико-экономических и эксплуатационных характеристик в течение всего срока эксплуатации; существенно упростить техническое обслуживание РЭА; решить проблему формирования и поддержания ЗИП в требуемых количествах.

Кроме того, что наиболее важно, проведение «сверток» первого уровня естественным образом за счет внедрения более высоких технологий приводит к существенному повышению тактико-технических характеристик образцов ВВСТ, их эволюционному развитию и совершенствованию (происходит как бы «скрытая» или «латентная» модернизация образца). Этот факт, в свою очередь, приводит к существенному продлению жизненного цикла ВВСТ.

Для модернизируемых систем вооружения применение технологии виртуальной элементной базы и, в частности операции «свертки» второго уровня, может существенно изменить облик системы вооружения и привести к созданию совершенно нового по своим тактико-техническим характеристикам образца ВВСТ.

Другими словами, технология виртуальной элементной базы дает возможность эволюционным путем создать новый образец ВВСТ, который по своим тактико-техническим характеристикам существенно превосходит исходный.

Для перспективных, вновь разрабатываемых образцов ВВСТ применение технологии виртуальной элементной базы позволит существенно сократить сроки разработки и экономические затраты, устранить сложные проблемы, связанные с поддержанием требуемых высоких технических и эксплуатационных характеристик в течение всего срока эксплуатации ВВТ.

Таким образом, применение технологии виртуальной элементной базы - это не только путь поддержания высоких технико-экономических и эксплуатационных характеристик ВВСТ, но и путь существенного продления их жизненного цикла, эволюционный путь создания новых образцов ВВСТ.

Технология виртуальной элементной базы в первую очередь ориентирована на сокращение сроков разработки, уменьшение риска ошибок и итераций перепроектирования СБИС и СнК.

Рассмотрим основные задачи организации работ по созданию технологии виртуальной элементной базы для разработки РЭА образцов ВВСТ.

Технология применения виртуальной элементной базы требует тесного взаимодействия разработчиков РЭА и элементной базы. Высокие возможности современной технологии проектирования специализированных СБИС и СнК приводят к их высокой архитектурной сложности, что и обеспечивает возможность реализовать РЭА полностью на нескольких специализированных СБИС или на СнК.

Это обстоятельство приводит к тому, что при создании СБИС и СнК разработчики РЭА неизбежно становятся непосредственными участниками проектирования кристаллов, поскольку только они точно знают, что должно получиться «на выходе».

С другой стороны, и проектировщики элементной базы должны обладать определенными системными знаниями, причем, чем глубже будут эти знания в конкретной прикладной области, для которой разрабатывается элементная база, тем более качественной будет проектируемая виртуальная элементная база.

Разработчики РЭА для создания технологии виртуальной элементной базы должны привлекать специализированные полупроводниковые предприятия, в последнее время получившие название дизайн-центров.

Для обеспечения качественной разработки такие дизайн-центры должны обладать опытом производства больших, сверхбольших интегральных микросхем и систем-на-кристалле и иметь системные знания в предметной области разработчика РЭА. Очевидно, что взаимоотношения между разработчиками РЭА и элементной базы должны быть настолько тесными, что представляется, логичным иметь дизайн-центры в составе организаций - разработчиков РЭА. Необходимость включения дизайн-центров в состав разработчиков РЭА диктуется также следующими обстоятельствами.

Во-первых, только специализированные дизайн-центры могут создать библиотеку фрагментов функционально законченных узлов РЭА эксплуатируемых и разрабатываемых образцов ВВСТ и постоянно ее наращивать при осуществлении очередных этапов обновления устаревшей элементной базы. Именно наличие библиотек дизайн-центров, выполненных в виде IP-блоков и HDL-описаний (HDL - Hardware Description Language, язык описания аппаратных ресурсов) фрагментов схем, независимых от непосредственных производителей интегральных микросхем, дают возможность существенно сократить сроки последующих этапов модернизации РЭА и своевременной замены устаревшей элементной базы. Кроме того, наличие развитых библиотек IP-блоков и HDL-описаний может существенно сократить затраты на разработку РЭА перспективных образцов ВВСТ.

Во-вторых, основные затраты (финансовые и временные) на проектирование и производство опытных образцов СБИС и СнК приходятся на этап проектирования, выполняемый дизайн-центром.

В-третьих, на повестке дня многих государств или, вернее сказать, отдельных ведомств государств (в первую очередь силовых структур) стоит вопрос: в какую конкретно составляющую инфраструктуры проектирования и производства СБИС и СнК (дизайн-центры, полупроводниковые фабрики, центры автоматизации проектирования) следует в первую очередь вкладывать средства, чтобы обеспечить создание конкурентоспособной РЭА отечественной разработки? Естественно, престижно иметь все составляющие, однако это очень дорого и доступно только очень развитым государствам.

Необходимость существенного сокращения сроков проектирования и экономических затрат на проведение очередного этапа замены устаревшей элементной базы требует такого маршрута проектирования, который бы исключал возможность ошибок проектирования, исключал итерации перепроектирования, предоставлял широкие возможности для повторного использования ранее созданных IP-блоков.

Поэтому маршрут проектирования СБИС и СнК для технологии виртуальной элементной базы должен в обязательном порядке включать этап моделирования и прототипирования проектируемой схемы на программируемых логических интегральных схемах (ПЛИС).

Для разработки систем на данной элементной базе существуют специализированные системы автоматизации проектирования использующие возможности ЭВМ, которые позволяют в кратчайшие сроки спроектировать цифровую систему, а в случае необходимости быстро внести изменения.

Современные ПЛИС обладают высоким быстродействием сравнимым с микросхемами дискретной логики. В результате при использовании этих ПЛИС появляется возможность значительного повышения производительности разрабатываемых цифровых устройств. Высокая степень интеграции ПЛИС позволяет полностью реализовать разрабатываемое цифровое устройство в одной микросхеме и тем самым, сократись время и затраты на трассировку и производство печатной платы. При этом также достигается существенное снижение габаритных размеров систем цифровой обработки за счет уменьшения общего числа используемых элементов и применения ПЛИС в миниатюрных корпусах.

Замена микросхем дискретной логики одной ПЛИС позволяет снизить уровень электромагнитных помех, излучаемых устройством. Возможность многократного перепрограммирования ПЛИС, осуществляемого непосредственно в системе, позволяет вносить доработки в алгоритм функционирования систем цифровой обработки, не затрагивая разводки печатной платы и не требуя демонтажа микросхемы. Это свойство позволяет ускорить процесс доработки и модернизации систем цифровой обработки РЛС.

Применение ПЛИС снижает время цикла разработки, испытания и производства РЛС. Снижение суммарного времени разработки РЛС является одним из главных факторов, определяющих экономическую эффективность разработки. Сокращение длительности разработки и производства устройства способствует наличие мощных инструментов САПР, позволяющих устранить возможные ошибки в процессе проектирования устройства на разных этапах. Современные средства проектирования делают возможным выполнение всего цикла разработки систем цифровой обработки РЛС непосредственно на ЭВМ.

Подводя итог, можно высказать следующие соображения:

Ситуация в области создания и применения элементной базы для существующих и разрабатываемых образцов ВВСТ выходит из-под контроля и становится угрозой национальной безопасности страны.

Наиболее рациональной основой поддержания отечественной элементной базы и РЭА в целом на уровне лучших мировых стандартов может служить технология виртуальной элементной базы.

Технология виртуальной элементной базы - это новый экономически оправданный путь разработки, производства и постоянного совершенствования РЭА для эксплуатируемых, модернизируемых и перспективных образцов ВВСТ, это эволюционный путь создания, новых образцов ВВТ и существенного продления их жизненного цикла.

Перспективным, в настоящее время, является создание элементной базы систем на кристалле, так называемых заказных БИС и СБИС, а также ПЛИС, для которых систему на кристалле может выполнять непосредственно сам разработчик РЭА.

В связи с этим в дипломном проекте рассматриваются этапы разработки, т.е. получения «свёртки» первого и второго уровня, цифровых ячеек устройства формирования и выдачи кодограммы текущего времени РЛС 55Ж6, для её реализации на ПЛИС.

⇐ Предыдущая 1 234 5 6 7 Следующая ⇒