У статті представлені результати дослідження процесів моделювання аналогових електричних схем у вітчизняній спеціалізованій САПР радіоелектронної апаратури (РЕА) за допомогою різних типів аналізу. Дана САПР дозволяє виконувати розпаралелювання розглянутих видів аналізу і, таким чином, прискорювати процес проведення моделювання.I

Анотація наукової статті з комп'ютерних та інформаційних наук, автор наукової роботи - Александров Антон Володимирович, Бенеш Павло Борисович, Малишев Олександр Анатолійович, Отставнову Валерія Олексіївна


n this work we take research of modeling process in analog electrical circuits in Russian specializing CAD with different types of analysis. This CAD allows us to implement the parallelization of the considered types of analysis and also to provide the higher speed of modeling process.


Область наук:

  • Комп'ютер та інформатика

  • Рік видавництва: 2017


    Журнал

    Інформаційні та математичні технології в науці та управлінні


    Наукова стаття на тему 'МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ СХЕМ НА ОСНОВІ СПЕЦІАЛІЗОВАНОЇ ВІТЧИЗНЯНОЇ САПР З ВИКОРИСТАННЯМ ФУНКЦІЇ розпаралелювання ОБЧИСЛЕНЬ'

    Текст наукової роботи на тему «МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ СХЕМ НА ОСНОВІ СПЕЦІАЛІЗОВАНОЇ ВІТЧИЗНЯНОЇ САПР З ВИКОРИСТАННЯМ ФУНКЦІЇ розпаралелювання ОБЧИСЛЕНЬ»

    ?Математичне моделювання схем на основі спеціалізованої вітчизняної САПР УДК 681.5

    МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ СХЕМ НА ОСНОВІ СПЕЦІАЛІЗОВАНОЇ ВІТЧИЗНЯНОЇ САПР З ВИКОРИСТАННЯМ ФУНКЦІЇ розпаралелювання ОБЧИСЛЕНЬ Александров Антон Володимирович

    Інженер II категорії, e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Бенеш Павло Борисович Головний спеціаліст, e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її. Малишев Олександр Анатолійович Начальник науково-дослідного відділу, e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її. Отставнову Валерія Олексіївна Інженер II категорії, e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її. ФГУП «ВНІІА ім. Н.Л. Духова »127055, г. Москва, ул. Сущевська, 22

    Анотація. У статті представлені результати дослідження процесів моделювання аналогових електричних схем у вітчизняній спеціалізованій САПР радіоелектронної апаратури (РЕА) за допомогою різних типів аналізу. Дана САПР дозволяє виконувати розпаралелювання розглянутих видів аналізу і, таким чином, прискорювати процес проведення моделювання.

    Ключові слова: моделювання, САПР «Симика», SPICE-модель.

    Вступ. Для розробки електронних виробів в даний час використовуються системи автоматизованого проектування (САПР). Одним з ключових інструментів в САПР є програмні модулі моделювання. Використання моделювання роботи схем дозволяє істотно прискорити процес розробки електронних виробів, знаходити і виправляти помилки при проектуванні схем до їх матеріального виробництва, і таким чином, підвищити якість проектування.

    Єдиною вітчизняної САПР, до складу якої входить програмний модуль для проведення схемотехнічного моделювання, що відповідає сучасному рівню розвитку математичного, алгоритмічного та програмного забезпечення, є САПР «Симика» (Москва, Зеленоград).

    У статті розглянуті дослідження процесів розпаралелювання при проведенні математичного моделювання аналогових електричних схем в спеціалізованій вітчизняної САПР «Симика» для наступних типів аналізу:

    1. Схемотехнічне моделювання в тимчасовій області.

    2. Схемотехнічне моделювання при багатопараметричний аналізі.

    3. Схемотехнічне моделювання при аналізі електричної схеми за методом Монте-Карло.

    Схемотехнічне моделювання в тимчасовій області. Схемотехнічне моделювання електронних виробів в тимчасовій області зводиться до вирішення системи нелінійних диференціальних рівнянь.

    Александров A.B., Бенеш П.Б., Малишев A.A., Отставнову В.А.

    У загальному випадку ця задача відноситься до класу сильно пов'язаних (система нелінійних диференціальних рівнянь вирішується в єдиному ітераційне циклі), а тому погано распараллеливается.

    У програмі моделювання SymSPICE [5, 6], що входить до складу спеціалізованої вітчизняної САПР «Симика», вдалося розробити спеціальні математичні алгоритми, які дозволяють вирішити цю проблему для досить широкого кола аналого-цифрових схем [1]. Слід зазначити, що на кожному кроці інтегрування за часом локально вирішуються завдання заповнення матриці, що складається з приватних похідних, з подальшим вирішенням системи лінійних алгебраїчних рівнянь, обчислення якої добре распараллелівать. Що стосується погано распараллелівать частини обчислювального процесу, то при переході від поточної точки по часу до наступної, в САПР «Симика» використовується облік латентності схеми. Так, наприклад, коли на вхід подається вплив (електричний імпульс), то в перший момент часу перемикаються тільки транзистори перших каскадів, які безпосередньо підключені до вхідного електроду. Стан решти елементів схеми не змінюється, тобто залишається прихованим (латентним). Подальший процес проходження сигналу від входу на вихід нагадує процес руху хвилі. Каскади елементів, що стоять один за одним то стають активними, то переходять у латентний стан. Отже, така схема може бути динамічно розбита на підсхеми, що складаються тільки з активних елементів для даного моменту інтегрування за часом, і вже ці подсхеми окремо можуть бути розраховані на окремих обчислювальних ядрах із застосуванням оптимальних математичних методів для кожного фрагмента електричної схеми.

    Таке розбиття на підсхеми ефективно тільки для складних схем, що містять сотні і тисячі елементів типу транзистор. У невеликих схемах, що складаються з десятків транзисторів, виділення подсхем, що складаються з латентних і активних елементів, малоефективно.

    У таблиці 1 наведені порівняльні результати за часом моделювання схем, що містять різну кількість транзисторів на одному і чотирьох обчислювальних ядрах, з використанням програми моделювання БутБрюе з САПР «Симика». Ефективність розпаралелювання за рахунок збільшення кількості ядер від 1 до 4 підвищується приблизно в 2,5 рази.

    Таблиця 1. Порівняльні результати часу моделювання.

    Кількість ядер Тестові схеми

    Схема вторинного джерела живлення Схема кварцового автогенератора Схема з трансформаторної гальванічною розв'язкою

    4 ядра 7,56 хвилин 5,37 хвилин 6,65 хвилин

    1 ядро ​​23,54 хвилин 11,27 хвилин 19,53 хвилин

    Обмежуючими факторами при проведенні схемотехнічного моделювання в тимчасовій області є:

    1. Неможливість розбити систему нелінійних диференціальних рівнянь на однакові фрагменти. В одних фрагментах кількість рівнянь буде великим, в інших

    - меншим. Таким чином, частина фрагментів системи нелінійних рівнянь буде розрахована трохи раніше, інша трохи пізніше.

    2. Необхідність обміну інформацією між ядрами обчислювальної машини. Після того, як всі фрагменти системи нелінійних диференціальних рівнянь розраховані, отримані значення змінних повинні бути передані сусіднім фрагментами, які розраховувалися на інших ядрах. При великій кількості ядер обмін інформацією між ними займає велику кількість часу.

    Схемотехнічне моделювання при багатопараметричний аналізі. Прикладом використання багатопараметричного аналізу може служити проведення моделювання схеми при різних значеннях температури навколишнього середовища в діапазоні змін живлячих напруг. У цьому випадку ми маємо одну електричну схему, у якій перед запуском в завданні на моделювання повинні бути виставлені конкретні значення температури і напруги живлення [1, 4]. Завдання на моделювання це текстовий файл, в якому перераховані імена і значення змінних. Таким чином, для кожного запуску створюється окремий файл «завдання на моделювання». У разі, коли треба визначити працездатність схеми при 2-х змінних (температура і напруга живлення), а кожна змінна має тільки 3 значення - мінімальне, номінальне і максимальне, то таких файлів, і, відповідно, запусків на моделювання буде 9.

    Підготувавши безліч завдань на моделювання, кожен розрахунок схеми можна запустити на окремому обчислювальному ядрі, а потім зібрати і обробити отриману інформацію у вигляді графіків. У цьому випадку сам процес моделювання не має принципових обмежень на розпаралелювання. Обмеженням є необхідність попередньої підготовки відразу великої кількості завдань на моделювання і подальша обробка (як правило, графічна) масиву отриманих даних. САПР «Симика» дозволяє організувати як самі обчислення на багатоядерних процесорах, так і подальшу обробку отриманої інформації у вигляді різних графіків. Даний приклад проілюстровано на малюнку 1.

    У таблиці 2 наведені порівняльні результати часу моделювання невеликих схем при багатопараметричний аналізі.

    Таблиця 2. Порівняльні результати часу моделювання

    Кількість ядер Тестові схеми

    Схема вторинного джерела живлення Схема кварцового автогенератора Схема з трансформаторної гальванічною розв'язкою

    4 ядра 3,26 хвилин 1,58 хвилин 4,38 хвилин

    1 ядро ​​8,53 хвилин 4,35 хвилин 12,41 хвилин

    Ефективність схемотехнічного моделювання при багатопараметричний аналізі за рахунок збільшення кількості ядер від 1 до 4 зростає приблизно в 2,6 рази.

    Для схем, час моделювання яких більше, ніж час, що витрачається на підготовку завдання на моделювання і обробку отриманих результатів, ефективність розпаралелювання буде помітно вище.

    ^ Ександров A.B., Бенеш П.Б., Малишев A.A., Отставнову B.A.

    Мал. 1. Організація обчислювального процесу при багатопараметричний аналізі.

    Схемотехнічне моделювання при аналізі електричної схеми за методом Монте-Карло. Схемотехнічне моделювання по методу Монте-Карло часто використовується, коли необхідно проаналізувати поведінку електричної схеми при розкиді тих чи інших параметрів. Так, наприклад, відомо, що порогове напруга і крутизна МДП-транзисторів залежать від рівня накопиченої дози випромінювання. Важливо відзначити, що ці зміни пов'язані з режимом роботи транзистора. Оскільки в схемі, як правило, транзистори працюють в різних режимах, то відповідно і параметри (в нашому прикладі граничну напругу і крутизна), у різних транзисторів з накопиченої дозою йдуть по-різному. Додатково до цього існує технологічний розкид параметрів транзисторів, викликаний об'єктивним недосконалістю технологічних процесів [1 - 4].

    Процес моделювання схеми по методу Монте-Карло алгоритмічно дуже схожий на багатопараметричний аналіз - малюнок 1. На першому етапі для однієї і тієї ж схеми створюються різні набори параметрів елементів в схемі. Зміна значень параметрів описується обраним законом розподілу. Підготовлені описи схеми можуть бути паралельно промоделювати на різних обчислювальних ядрах, потім отримана інформація буде зібрана, оброблена і представлена ​​в графічному вигляді.

    У таблиці 3 наведені порівняльні результати часу моделювання невеликих схем при аналізі за методом Монте-Карло.

    Таблиця 3. Порівняльні результати часу моделювання по методу Монте-Карло

    Кількість ядер Тестові схеми

    Схема вторинного джерела живлення Схема кварцового автогенератора Схема з трансформаторної гальванічною розв'язкою

    4 ядра 3,07 хвилин 2,39 хвилин 3,59 хвилин

    1 ядро ​​7,55 хвилин 5,49 хвилин 9,56 хвилин

    Ефективність схемотехнічного моделювання по методу Монте-Карло за рахунок збільшення кількості ядер від 1 до 4 зростає приблизно в 2,5 рази.

    Висновок. Використання багатопроцесорних і багатоядерних обчислювальних систем для задач моделювання принципових електричних схем ефективно тільки при використанні спеціалізованої САПР, яка дозволяє распараллеливать процес обчислень.

    Алгоритми, що використовуються в програмі схемотехнічного моделювання SymSpice з САПР «Симика», дозволяють кратно скорочувати час моделювання схеми, як при багатопараметричний аналізі, так і аналізі за методом Монте-Карло.

    Для подальшого вдосконалення математичного алгоритмічного і програмного забезпечення для схемотехнічного моделювання з метою підвищення ефективності використання багатопроцесорних і суперкомп'ютерних технологій потрібне проведення додаткових комплексних досліджень. Ці дослідження повинні дати відповіді як на питання, пов'язані з налаштуванням вже існуючих алгоритмів в САПР РЕА на конкретні архітектурні рішення, що застосовуються в суперкомп'ютерах і комп'ютерних мережах, так і сприяти розробці нових підходів до розпаралелювання задачі рішення систем нелінійних диференціальних рівнянь.

    СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

    1. Чуа Л.О., Пен-Мін Лін. Машинний аналіз електронних схем: алгоритми і обчислювальні методи / Пер. з англ. під ред. Ільїна В.Н. М. Енергія. 1980. 638 с.

    2. J.E. Dennis, Jr. and Robert B. Schnabel. Numerical Methods for Unconstrained Optimization and Nonlinear Equations / Englewood Cliffs, NJ: Prentice Hall. 1983. 378 p. ISBN 0-89871364-1.

    3. Kalaba R., Tesfatsion L. Solving Nonlinear Equations by Adaptive Homotopy Continuation / Applied Mathematics and Computation, January 1991. Vol. 41. No. 2: Part II. Pp. 99-115.

    4. Roychowdhury J.S., Melville R.C. Homotopy techniques for obtaining a DC Solution of large-scale MOS Circuits / Proceedings of the DAC 1996 року, 33rd, -Jun, -1996. LasVegas NV. Pp. 286 - 291

    5. SymProbe User guide product version 2.xx

    6. SymSpice User guide product version 2.xx

    AMeKcaHdpoe A.B., Bemrn n.E., Manumee A.A., OmcmaeHoea B.A.

    UDК 681.5

    MATHEMATICAL MODELING OF ELECTRICAL CIRCUITS IN RUSSIAN SPECIALIZED CAD WITH PARALLELING FUNCTION Anton V. Aleksandrov

    Engineer II category, e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її. Pavel B. Benesh Head specialist, e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її. Aleksander A. Malushev Head of a department, e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Valeriya A. Otstavnova Engineer II category, e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її. VSUE VNIIA 127055, Moscow, Suchevskaya st., 22

    Abstract. In this work we take research of modeling process in analog electrical circuits in Russian specializing CAD with different types of analysis. This CAD allows us to implement the parallelization of the considered types of analysis and also to provide the higher speed of modeling process. Keywords: modeling, CAD «Symica», SPICE-model.

    References

    1. L.O., Chua, Pen-Min Lin. Mashinnyy analiz elektronnykh skhem: algoritmy i vychislitel'nyye metody [Machine analysis of algorithm and computational methods of electronic circuits] Moscow. Energiya = Energy. 1980. 638 p. (In Russian)

    2. J.E. Dennis, Jr. and Robert B. Schnabel. Numerical Methods for Unconstrained Optimization and Nonlinear Equations / Englewood Cliffs, NJ: Prentice Hall. 1983. 378 p. ISBN 0-89871364-1.

    3. Kalaba R., Tesfatsion L. Solving Nonlinear Equations by Adaptive Homotopy Continuation / Applied Mathematics and Computation, January 1991. Vol. 41. No. 2: Part II. Pp. 99-115

    4. Roychowdhury J.S., Melville R.C. Homotopy techniques for obtaining a DC Solution of large-scale MOS Circuits / Proceedings of the DAC 1996. 33rd Jun. 1996. Las Vegas NV. Pp. 286 - 291.

    5. SymProbe User guide product version 2.xx

    6. SymSpice User guide product version 2.xx


    Ключові слова: МОДЕЛЮВАННЯ /САПР "Симика" /SPICE-МОДЕЛЬ

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити