Національний технічний університет України

“Київський політехнічний інститут”

ВЕЛІЧКЕВИЧ СЕРГІЙ ВОЛОДИМИРОВИЧ

УДК 621.38

РОЗПОДІЛЕНА САПР СХЕМОТЕХНІЧНОГО МОДЕЛЮВАННЯ З ВИКОРИСТАННЯМ ТЕХНОЛОГІЇ GRID

05.13.12 – Системи автоматизації проектувальних робіт

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук

Київ – 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі „Системи автоматизованого проектування” Національного технічного університету України „Київський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник | доктор технічних наук, професор

Петренко Анатолій Іванович

НТУУ „КПІ” Міністерства освіти і науки України, завідувач кафедри САПР

Офіційні опоненти | доктор технічних наук, професор

Лобур Михайло Васильович,

Львівський науково-дослідний радіотехнічний інститут (НДРТІ), директор

кандидат технічних наук, професор

Фесечко Володимир Опанасович,

НТУУ „КПІ” Міністерства освіти і науки України, професор кафедри фізичної та біомедичної електроніки

Провідна установа | Харківський національний університет радіоелектроніки, м. Харків

Захист відбудеться “20” лютого 2006 р. о 14 годині 30 хвилин на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.002.08 у Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, м. Київ, проспект Перемоги, 37, корп. 12, ауд. 114.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці НТУУ “КПІ”

(03056, м. Київ, проспект Перемоги, 37).

Автореферат розісланий 10.01.2006 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради Д 26.002.08,

доктор технічних наук, професор В.Г. Савін

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Сьогодення вимагає від сучасних систем автоматизованого проектування, в тому числі САПР схемотехнічного проектування, можливість аналізу об’єктів, розмірність математичної моделі яких є дуже великою (кількість рівнянь перевищує десятки та сотні тисяч). Майже усі існуючи САПР створенні для роботи в однопроцесному режимі, що практично унеможливлює розв’язання задачі проектування складних об’єктів з математичною моделлю такої розмірності у прийнятні часові строки з заданою точністю. Таким чином, дуже актуальною є задача створення розподіленої паралельної САПР, яка при повному використанні наявних у розпорядженні ресурсів знімає обмеження максимальної розмірності проекту та скорочує час проектування.

Основними напрямками досліджень для створення розподіленої САПР є:

· аналіз сучасних архітектур та технологій створення розподілених систем, щодо застосування їх при побудові розподіленої САПР, та вибір оптимальної з них за визначеними критеріями;

· створення нових або модифікація існуючих методів моделювання для застосування в розподіленому, мережному середовищі із застосуванням паралелізму для різних видів аналізу електронних схем.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота безпосередньо пов’язана з планами наукових досліджень, які виконувалися і виконуються на кафедрі САПР по створенню пакета схемотехнічного моделювання Simted, пов’язаних з створенням паралельних алгоритмів моделювання і подальшого вдосконалення чисельних процедур. Дисертаційна робота пов’язана та її результати використовуються в рамках проекту Європейської комісії Integrated project proposal, IST Call 5, FP6-2005-IST-5,Open Platform Empowering Business and Society Organizations with Grid Technology emBus.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є обґрунтування ефективних варіантів створення системи автоматизованого проектування електронних схем, яка здатна виконувати процедури схемотехнічного аналізу у паралельному розподіленому середовищі.

Для досягнення зазначеної мети були поставлені такі основні задачі:

· проаналізувати сучасний стан і тенденції розвитку технологій створення розподілених обчислювальних середовищ;

· визначити основні критерії щодо створення розподіленої САПР схемотехнічного моделювання, вибрати технологію, яка найбільш повно задовольняє визначеним критеріям;

· визначити послідовність дій та сформувати рекомендації до розробки розподілених САПР;

· розробити метод паралельного часового аналізу великих за розміром схем, який використовує розподіл повної схеми на підсхеми і може бути ефективно застосований у розподіленому середовищі;

· реалізувати запропонований метод в САПР Simted та перевірити ефективність запропонованих рішень за допомогою порівняльного моделювання.

У відповідності з поставленою метою об’єктом теоретичних і експериментальних досліджень є розподілена САПР схемотехнічного моделювання, а предметом досліджень – технології створення паралельних розподілених обчислювальних середовищ, а також методи та алгоритми для забезпечення паралелізму при моделюванні.

Методи досліджень. Для вирішення задачі створення системи автоматизованого проектування електронних схем, яка здатна виконувати процедури моделювання у паралельному розподіленому середовищі, використовувались методи математичного моделювання, теорії складних систем. При роботі з процедурами паралельного моделювання використовувались методи диференціального числення, чисельні методи та теорія паралельних обчислень. Перевірка отриманих результатів здійснювалася шляхом проведення обчислювальних експериментів на ЕОМ.

Наукова новизна отриманих результатів. У дисертації доведено доцільність та запропоновано заходи щодо створення сучасних розподілених САПР на базі технології Grid, а також досліджено, обґрунтовано та розроблено метод для паралельного часового аналізу великої електронної схеми з розбиттям її на підсхеми. При цьому:

1. Проаналізовано можливі варіанти створення сучасних розподілених САПР та показано переваги використання технології Grid, яка мало відома в Україні і яка, на відміну від вживаних зараз технологій, комплексно забезпечує:

· створення єдиного мережного середовища зі швидкісними комунікаційними каналами для об’єднання апаратних засобів і програмних комплексів САПР з метою розв’язання великих проектів;

· сумісну роботу команди інженерів в середовищі, яке утворене гетерогенними апаратними і програмними платформами;

· резервування, планування використання та обліку ресурсів, необхідних для виконання проектувальних робіт;

· роботу у мережному розподіленому середовищі з брандмауерами, проксі-серверами та іншими активними системами безпеки, що практично неможливо при використанні інших технології.

2. З метою подальшого застосування для створення розподіленої САПР проаналізовано специфікації та стандарти технології Grid, систематизовано інформацію про можливості та інструментарій Grid, виявлено джерела вільного програмного забезпечення розробника розподілених систем в середовищі Grid, показано, що при його використанні створення САПР зводиться, головним чином, до розробки логіки функціонування САПР.

3. Сформовано рекомендації до розробки розподілених САПР, на базі технології Grid, які проілюстровано на прикладі САПР для схемотехнічного проектування надвеликих електронних схем.

4. Для проведення часового аналізу великих електронних схем розроблено діакоптичний метод, який застосовує розбиття на підсхеми і який, на відміну від існуючих, використовує:

· процедуру подвійного різношвидкісного інтегрування рівнянь всієї схеми і окремих підсхем;

· розбиття повної схеми на підсхеми за інерційними властивостями, при якому час обчислення окремих підсхем був би приблизно однаковим, а не на основі мінімізації кількості змінних зв’язку між підсхемами;

· процедуру прогнозування значень змінних зв’язку в проміжку між окремими кроками на відміну від звичайної фіксації їх значень, що призводить до зменшення кількості часових кроків.

Практичне значення одержаних результатів:

· запропонований варіант створення розподіленої системи автоматизованого проектування з використанням технології Grid може бути використаний при побудові розподілених обчислювальних середовищ для схемотехнічних комплексів САПР або для інших задач;

· застосована технологія Grid та реалізовані методи дозволили зняти обмеження на розмірність математичної моделі та дозволили проводити аналіз складних електронних об’єктів у прийнятний час із заданою точністю моделювання;

· розроблений метод часового аналізу з розбиттям повної системи на підсистеми може бути використаний в інших практичних областях застосування з метою підвищення якості розробки об’єкту.

Особистий внесок здобувача. Автору належать основні наукові результати теоретичних і практичних досліджень, що викладені в дисертації, а саме: проведено аналіз сучасних розробок по створенню паралельних обчислювальних алгоритмів, проведено аналіз сучасного стану і тенденцій розвитку технологій створення розподілених обчислювальних середовищ, доведена доцільність створення сучасних розподілених САПР на базі Grid технології, створено метод паралельного часового аналізу великих схем, що використовує розподіл повної схеми на підсхеми, реалізовано запропонований метод в САПР Simted, перевірено ефективність запропонованих рішень за допомогою порівняльного моделювання.

Апробація роботи. Основні положення роботи доповідалися на:

· наукових семінарах кафедри САПР з 2002-2005 рр.,

· Міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми електроніки”, м. Київ, 17-19 червня, 2003р.,

· 9-му Міжнародному молодіжному форумі «Радиоэлектроника и Молодежь в ХХІ Веке», м.Харків, 19–21 квітня 2005р.,

· 6-ій Міжнародній науково-практичній конференції «Современные Информационные и Электронные Технологии», м. Одеса 23-27 травня 2005р.,

· International Conference «Dynamical system modeling and stability investigation MODELLING & STABILITY» м. Київ, 2005 р.,

· 12-ій конференції представників регіональних науково-освітніх мереж "RELARN-2005", Росія, 14-18 червня, 2005р.

Публікації. За результатами досліджень, які викладені в дисертації, опубліковано 6 наукових праць, з них 4 в провідних фахових виданнях.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел. Загальний обсяг дисертації 151 сторінка, в тому числі 151 сторінка основного тексту, 126 бібліографічних найменувань на 12 сторінках, 42 рисунки, 17 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність, показано зв’язок проблеми з науковими програмами, планами та темами, сформульовано методи та основні завдання досліджень, наукову новизну та практичне значення отриманих результатів. Наведено дані про впровадження результатів роботи, її апробацію, публікації та особистий внесок здобувача.

У першому розділі “Паралельна розподілена САПР” проведено аналіз сучасних архітектур та технологій створення розподілених систем щодо застосування їх при побудові розподіленої САПР, вказано на їх переваги та недоліки, розглянуто паралельні алгоритми моделювання.

Основними підставами використання середовища паралельного розподіленого проектування та моделювання є:

1. скорочення часу проектування при повному використанні наявних у розпорядженні ресурсів;

2. обмеження максимальної розмірності проекту, який реалізується, лише кількістю наявних сукупних ресурсів (обчислювальних процесорів, сховищ даних, пам'яті та інших);

3. скорочення вартості проектування за рахунок повного використання вже наявного обладнання;

4. можливість підвищення якості проекту, яка визначається точністю розрахунків, максимально можливою розмірністю проекту, часом проектування, за рахунок застосування паралельних обчислень.

Для створення будь-якої розподіленої системи, в тому числі і розподіленої САПР, необхідно розглянути архітектури та технології, які вже існують, визначити критерії, яким мають задовольняти обрані технології, провести аналіз та обрати ті, що найбільш точно задовольняють визначеним критеріям.

Основними вимогами до фізичного рівня архітектури розподіленої САПР схемотехнічного моделювання будемо вважати наступні:

· надійність та стійкість до відмов;

· масштабованість;

· співвідношення вартість/продуктивність.

На сьогодні розвиток обчислювальних високопродуктивних архітектур йде по декількох основних напрямках: SMP системи, MPP системи, кластерні системи й метакомп’ютери. На основі виконаного аналізу в якості фізичної структури архітектури розподіленої САПР пропонується використовувати метакомп’ютерний підхід.

Основними вимогами до програмного рівня архітектури розподіленої системи автоматизованого проектування будемо вважати наступні:

1. об’єднання апаратних засобів і програмних комплексів САПР в єдине мережне середовище для розподіленого паралельного моделювання з метою забезпечення обчислювальної потужності з урахуванням таких граничних умов як час, вартість розв’язання, кількість наявних ресурсів та інше;

2. відсутність централізованого керування обчислювальним середовищем, можливість постановки завдання з будь-якого обчислювального вузла або з комп’ютера, що не входить в склад обчислювального середовища, за умови, що користувач має на це права;

3. оскільки частина машин може знаходитись за різними брандмауерами (firewalls), NAT або проксі-серверами, система має забезпечувати можливість роботи в таких умовах;

4. підтримка сумісної роботи САПР для команди інженерів в гетерогенних апаратних і програмних платформах;

5. можливість резервування, планування використання та обліку різноманітних ресурсів, необхідних для виконання проектувальних робіт, таких як процесори, оперативна пам’ять, доступ до бази даних з моделями, функціями, бази знань з типовими інженерними рішеннями певного роду задач, спеціального програмного забезпечення;

6. здатність пошуку апаратних та програмних систем, оптимальних для поставленої задачі моделювання, за різними критеріями, наприклад, апаратна платформа, наявність обсягу вільної оперативної пам’яті або операційна система;

7. забезпечення надійності та стійкості до відмов, здатність відновлювати роботу після збою роботи одного або декількох вузлів;

8. можливість масштабувати обчислювальне середовища, змінювати склад обчислювальних вузлів.

Аналіз сучасних технології та механізмів (Socket, .NET, CORBA, DCOM, PVM, RPC, Grid) показав, що найбільш оптимальною і такою, що у повному обсязі задовольняє усім вимогам щодо побудови розподіленої системи автоматизованого проектування з урахуванням наведених вище критеріїв, є технологія Grid.

Однією з основних проблем при моделюванні складних систем є проблема розмірності, яка призводить до необхідності аналізу математичних моделей, що можуть складатися з тисяч, десятків тисяч нелінійних алгебро-диференційних рівнянь. Тому, одним із стратегічних напрямків досліджень методів розв’язання задач САПР, на сьогодні, є можливість використання багатопроцесорних систем, і, як наслідок, з’явилася необхідність розробки ефективних паралельних методів та алгоритмів для багатьох етапів проектування.

В роботі виконано огляд можливих використань принципів паралелізму в системі автоматизованого проектування електронних схем. Показано, що основними з них є алгоритми паралельного формування рівнянь математичної моделі об’єкту, паралельного розв’язання систем алгебро-диференційних рівнянь та систем лінійних рівнянь, проектування з застосуванням принципів діакоптики, а найбільший виграш від застосування паралельних технології дає комплексний підхід на усіх етапах проектування. Запропоновано використовувати діакоптичні алгоритми при створені розподіленої САПР.

Другий розділ – “Grid технологія” – присвячений аналізу архітектури технології Grid, основним якостям і властивостям її компонентів, створенню САПР схемотехнічного моделювання з використанням технології Grid.

Технології та інфраструктури Grid підтримують спільне і скоординоване використання різнорідних ресурсів у динамічних, розподілених віртуальних організаціях, дозволяючи з географічно розосереджених компонентів, що застосовуються у різних організаціях з різними правилами роботи, створювати віртуальні обчислювальні системи, здатні спільно підтримувати необхідний рівень обслуговування. Під ресурсами спільного доступу розуміється не лише обмін файлами, а скоріше безпосередній доступ до комп'ютерів, програмного забезпечення, даних, як це потрібно при спільному рішенні проблем у науці, промисловості та бізнесі. Необхідною умовою такого звертання до ресурсів є строгий контроль, управління та організація системи безпеки, а також визначення, хто має право надавати ресурси, хто може використовувати надані ресурси та умови, на яких спільний доступ дозволяється. Множина користувачів як індивідуальних, так і корпоративних, що надають й одержують ресурси у своє розпорядження, називаються Віртуальною Організацією (ВО). ВО можуть бути дуже різноманітними відносно їх розміру, границь, цілей, тривалості життя, спільності та соціальних відносин.

Розглянута архітектура Grid являє собою розподілену по рівнях організацію компонентів, кожний з яких має визначені характеристики, що враховують особливості поведінки й можливості нижніх рівнів.

Grid задовольняє вимогам SOA (Архітектура, орієнтована на сервіси – Service Oriented Architecture — SOA). Для створення SOA необхідні три основні типи угод:

· транспортна, що визначає формати і протоколи;

· опис сервісу, для якого потрібна деяка читана машиною мова, на якій описуються виконувані сервісом операції;

· протокол, який визначає спосіб виявлення сервісу.

Першими і найочевиднішими угодами, що дозволяють реалізувати Web-сервіси, стали відповідно SOAP, WSDL і UDDI. Фактично це пропозиції від групи потужних виробників, зацікавлених в розвитку SOA: простий протокол доступу до об'єктів Simple Object Access Protocol (SOAP) є комунікаційним протоколом для SOA; мова Web Services Description Language (WSDL) забезпечує формальний опис Web-сервісів; каталог Universal Description, Discovery and Integration (UDDI) є реєстром описів Web-сервісів.

У сучасному стані розвитку інструментарій Globus Toolkit на базі OGSA (The Open Grid Services Architecture) більшою мірою являє собою інфраструктуру сервісів і набір інструментів для розробки розподілених додатків з використанням технології Grid, ніж замкнутий комплект утиліт для користувачів. До основних видів сервісів, які складають Globus Toolkit, можна віднести наступні: зв'язок, управління ресурсами, безпека, інформаційне обслуговування, доступ до віддалених даних, запуск і управління завданнями.

Сьогодні є дві підстави, щоб говорити про зміну поколінь програмного забезпечення Grid: по-перше, відбувається перехід до стандартів відкритої архітектури сервісів OGSA, і, по-друге, нове програмне забезпечення Grid крім інструментальних засобів буде включати комплект сервісів, які не лише підтримують дистанційні операції (запуск завдань, передача файлів), але й забезпечують функціонування Grid як операційного середовища (моніторинг апаратно-програмної інфраструктури, спостереження за завданнями, розподіл ресурсів і т.д.). OGSA запровадила поняття Grid-сервісів як основної форми програмних компонентів розподілених систем і поставила завдання стандартизації взаємодії Grid-сервісів. Відповідні специфікації були розроблені в пропозиціях по інфраструктурі Grid-сервісів OGSI (Open Grid Services Infrastructure) і реалізовані в Globus Toolkit. Таким чином, OGSI був переглянутий, і новий підхід отримав назву WSRF - Web-services Resource Framework. Основним мотивом трансформації OGSI в WSRF став пошук компромісу між технологіями Grid - і Web-сервісів, що важливо, насамперед, із практичної точки зору, тому що полегшується переведення уже існуючих Web-додатків на технології Grid, а з іншої сторони, відкривається можливість використання в Grid розвиненого інструментарію. WSRF являє собою набір із шести специфікацій, які підтримують Grid- сервіси й інші ресурси, що мають власний стан (stateful). Ціль, переслідувана при створенні таких специфікацій, полягає в зближенні OGSA з Web-сервісами й SOA.

В роботі проаналізовано функціональність системи автоматизованого проектування на прикладі САПР схемотехнічного моделювання, запропоновано структуру розподіленої САПР з використанням інфраструктури Grid та реалізовано розроблену структуру за допомогою пакету Globus Toolkit 4.

На фізичному рівні запропонована структура складається з сукупності робочих станцій інженерів, розподілених обчислювальних вузлів можливо різної апаратної й програмної конфігурації, термінальних пристроїв, серверів розподілених баз даних та баз знань, обладнання для організації колективної розробки проектів, специфічного промислового обладнання для виготовлення спроектованих об’єктів, що об'єднані в єдине віртуальне середовище за допомогою мережних технологій (як Intranet, так й Internet). В якості обчислювальних вузлів отриманого метакомп’ютера можуть використовуватися як звичайні персональні комп'ютери, так і високопродуктивні багатопроцесорні системи, кластери й інші метакомп’ютери. Таким чином, потенційна продуктивність даної архітектури обмежується сумарною продуктивністю доступних у мережному оточенні вузлів.

Логічна структура даної архітектури складається з набору компонентів та сервісів, необхідних для роботи розподіленої САПР.

1. Система формулювання та вводу завдання.

2. Модуль пошуку інформації.

3. Система пошуку (синтезу) варіантів розв’язку поставленого завдання, пошук прикладів розв’язку подібних завдань у розподілених базах даних та базах знань.

4. Модуль вибору необхідних методів.

5. Модуль опису об’єкту проектування, формування його моделі.

6. Система обчислення, оптимізації, оцінки отриманого рішення.

7. Система формування документації.

Обчислювальне ядро системи автоматизованого проектування схемотехнічного моделювання на логічному рівні має наступну структуру:

1. Система вводу та постановки завдання, що містить механізм запуску розрахункового модуля САПР та механізм передачі модулю завдання та опцій для роботи. Дана система забезпечує запуск необхідних модулів на вибраних вузлах.

2. Модуль розбиття великої схеми на підсхеми за певними критеріями.

3. Система збалансованого розподілу паралельних частин завдання по різних вузлах у віртуальному обчислювальному оточенні. Дана система, ґрунтуючись на заданих критеріях, обирає оптимальний набір вузлів для рішення поставленого завдання. Критеріями можуть служити апаратна й програмна конфігурації вузла, рівень його завантаження, його надійність, продуктивність, параметри мережного з'єднання. Крім того, як критерії можуть виступати економічні параметри, наприклад, такі як вартість використання різного роду ресурсів. Складовим компонентом даної системи є планувальник, що дозволяє заздалегідь резервувати деякі ресурси на віддалених вузлах для наступних розрахунків з метою гарантованого одержання необхідних параметрів продуктивності й надійності.

4. Система комунікації та забезпечення зв’язку між розподіленими компонентами із заданим рівнем безпеки, надійності та швидкості.

5. Бази даних та бази знань, які зберігають необхідну для проектування та моделювання інформацію, типові рішення для певних стандартних задач та призначені для зберігання поточних результатів проектування, в тому числі моделювання, з метою подальшого аналізу та обробки. При цьому необхідно враховувати семантичну складову інформації та знань, тобто механізми, які зв’язують дані з прикладною галуззю їх застосування.

6. Система безпеки, що забезпечує схоронність і приватність даних при передачі їх через мережні з'єднання, використання на вузлах віртуального середовища, а також гарантує доступ до обчислювальних ресурсів тільки авторизованих суб'єктів.

7. Система надійності, що забезпечує динамічну конфігурацію обчислювального середовища, що виконує постійний моніторинг роботи обчислювальних процесів на вузлах і перерозподіляє частини завдання між вузлами або додає нові вузли в процес розрахунку при збоях одного або декількох вузлів.

8. Система збору результату з різних вузлів і формування єдиного рішення поставленого завдання.

9. Систему забезпечення колективної роботи над проектами групи географічно розподілених інженерів, що включає можливість проведення телеконференції, обміну інформацією та результатами проектування та інше.

Отримана структура розподіленої САПР схемотехнічного моделювання наведена на рис.1.

Рис. 1. Структура розподіленої САПР схемотехнічного моделювання

В роботі розроблено рекомендації та основні кроки створення розподіленої САПР з використанням технології Grid.

У третьому розділі “Метод розбиття повної схеми на підсхеми” розроблено діакоптичний метод часового аналізу електронних схем.

Велика електронна схема розбивається на довільні за розміром і складом підсхеми таким чином, що нелінійні залежні компоненти та компоненти, які ними керують (тобто керовані і керуючі компоненти), знаходились у одній підсхемі. При цьому повна схема може бути розділена на підсхеми повністю або частково.

Важливе значення мають такі чинники розбиття великої схеми на підсхеми:

1. Основною особливістю запропонованого методу є відсутність необхідності розбиття великої схеми на підсхеми з урахуванням мінімізації кількості змінних зв’язку, як у вживаних зараз методах. А пропонується таке розбиття, при якому час розрахунку кожної з підсхем був би приблизно однаковим.

2. Розбиття має враховувати інерційні властивості отриманих підсхем, тобто повільні ті швидкозмінні процеси в них.

Після розбиття підсхеми замінюються на багатополюсники. Кожен багатополюсник Pi визначається певною сукупністю вхідних змінних ui, вихідних змінних yi та внутрішніх змінних xi. Фіксуючи зовнішні змінні багатополюсника за допомогою тієї або іншої системи контурів, можна різними способами визначати топологічну структуру множини незалежних змінних . Після вибору певної множини вхідних змінних та визначення множини вихідних змінних , як дуального вектора , у підсхему вносяться фіктивні джерела струму або джерела напруги (визначається вектором вхідних змінних). Такі фіктивні джерела слід розглядати як особливий вид незалежних джерел, значення сигналів яких визначаються в процесі розв'язання рівнянь повної схеми. Таким чином, підсхема відокремлюється у незалежну електронну схему, яка моделюється незалежно від інших підсхем. Слід зазначити, що вихідні змінні підсхеми визначаються як струми (напруги) фіктивних джерел напруги (струму), але беруться з протилежним знаком. При цьому отримана підсхема Pi , враховуючи розподіл змінних на вхідні, вихідні та внутрішні, у найбільш загальному випадку описується виразом: ,

де кількість вхідних змінних дорівнює кількості вихідних змінних, так що пара описує струм та напругу фіктивного джерела струму або напругу та струм фіктивного джерела напруги відповідно.

Тому електронна схема описується сукупністю систем рівнянь, які описують окремо кожну з k підсхем, і додаткової системи рівнянь зв’язків:

При цьому кожне з рівнянь, яке описує окремо кожну з k підсхем, може бути розв’язане паралельно, незалежно одне від одного. При виконанні часового аналізу використовується процедура подвійного різношвидкісного інтегрування рівнянь повної схеми і окремих підсхем. Запропонований метод часового аналізу повної електронної схеми з розбиттям її на підсхеми відрізняється від існуючих тим, що дозволяє вільним чином розбивати велику схему на підсхеми так, щоб підсхеми могли бути гнучко розподілені за обчислювальними вузлами; використовує сучасні методи і алгоритми для моделювання підсхем; не потребує символьного подання математичної моделі підсхеми; дозволяє отримувати значення внутрішніх змінних кожної з підсхем у будь-який час моделювання; дозволяє з мінімальними змінами використовувати напрацьовані програмні реалізації алгоритмів моделювання. Також, в роботі розглянуто механізм скасування множини кроків за часом у підсхемі при скасуванні одного кроку за часом у повній схемі, на якому не досягається потрібна точність. Запропоновано метод апроксимації значень вхідних параметрів підсхеми, які представляють значення фіктивних джерел струму (напруги) у підсхемах.

У четвертому розділі “Створення обчислювального середовища Grid і реалізація методу часового аналізу повної схеми” описано програмну реалізацію САПР схемотехнічного моделювання на базі технології Grid та проведено порівняльне моделювання. В роботі наведено кроки по створенню Grid-сервісу, який реалізує процедуру часового аналізу електронної схеми за допомогою інструментарію пакетів GT4 та gSOAP.

Для аналізу ефективності розподіленої процедури аналізу динамічних характеристик електронної схеми у часовому просторі з використанням методу поділу повної схеми на підсхеми проведене експериментальне моделювання набору схем з різною кількістю компонентів. У першому випадку моделювання проводилось з використанням одного процесору без розподілу на підсхеми, в другому випадку було використано створене обчислювальне середовище і повна схема була розділена на 4 частини за кількістю процесорів. Математичне ядро, методи та алгоритми автоматизованого проектування при експерименті для двох різних випадків були ідентичними.

Перший набор схем складають RCL електронні ланцюги різної довжини наведені на рис. 2, 3

Рис. 2. RL електронний ланцюг довжиною n.

Рис. 3. RC електронний ланцюг довжиною n.

Отримані результати моделювання при синусоїдальному вхідному сигналі для RL та RC практично збігаються за значеннями витраченого часу і наведені у табл. 1 та рис. 4, 5:

Таблиця 1

Час моделювання повної схеми в секундах.

Розмірність задачі | 4 процесори

(з підсхемами) | 1 процесор

(без підсхем)

5 | 0.6692 | 0.3120

10 | 1.4680 | 0.8548

25 | 3.2910 | 4.4632

50 | 8.8025 | 14.7840

75 | 16.7975 | 31.8662

100 | 27.3570 | 61.4140

200 | 91.2843 | 235.7819

500 | 510.7812 | 1499.5063

Рис. 4.Час моделювання в залежності від розмірності схеми. | Рис. 5. Коефіцієнт прискорення

Другий набор схем складають ланцюги різної довжини, які утворені послідовним підключенням Input схеми, наведені на рис.6 та 7.

Рис. 6. Ланцюг з n Input схем

Рис. 7. Принципова схема Input

При моделюванні використовувалась MOS1 модель MOSFET транзистора. Отримані результати моделювання, якщо на вхід подається періодичний меандр, для ланцюгів різної розмірності наведені у табл. 2, та рис.8-11 (розмірність для цієї схеми вимірюється у кількості транзисторів):

Таблиця 2

Результати порівняльного моделювання Input схеми

Кількість транзисторів | Кількість часових

кроків | Кількість кроків

за Ньютоном | Розмірність моделі | Час

моделювання

Без підсхем

(1 процесор) | З підсхемами

(4 процесори) | Без підсхем

(1 процесор) | З підсхемами

(4 процесори) | Без підсхем

(1 процесор) | З підсхемами

(4 процесори) | Без підсхем

(1 процесор) | З підсхемами

(4 процесори)

схеми

зв’язку | кожної з підсхем

48 | 1370 | 1058 | 4176 | 3977 | 220 | 8 | 59 | 74,946 | 245,326

72 | 1870 | 1366 | 5750 | 5008 | 328 | 8 | 86 | 202,130 | 466,6868

96 | 2321 | 1763 | 7237 | 6655 | 436 | 8 | 113 | 422,330 | 858,2909

120 | 2816 | 1868 | 8795 | 7516 | 544 | 8 | 140 | 786,459 | 1227,951

144 | 3243 | 2034 | 10239 | 7794 | 652 | 8 | 167 | 1262,17 | 1627,668

168 | 3594 | 1998 | 11379 | 7162 | 760 | 8 | 194 | 1897,42 | 1777,505

192 | 3756 | 1886 | 11946 | 6833 | 868 | 8 | 221 | 2530,97 | 2078,934

216 | 3844 | 1850 | 12279 | 6685 | 976 | 8 | 248 | 3310,28 | 2517,626

240 | 3887 | 1303 | 12465 | 5536 | 1084 | 8 | 275 | 4010,76 | 2883,837

264 | 3888 | 1854 | 12592 | 6588 | 1192 | 8 | 302 | 5010,15 | 3517,4

288 | 3889 | 1764 | 12693 | 6259 | 1300 | 8 | 329 | 5923,27 | 3871,471

312 | 3887 | 1474 | 12687 | 5263 | 1408 | 8 | 356 | 7177,97 | 4260,698

В обох випадках є поріг розмірності, після якого паралельні обчислення стають ефективними в порівнянні з обчисленнями на одному процесорі.

Рис.8. Порівняння кількості виконаних часових кроків | Рис.9. Порівняння кількості виконаних ньютонівських кроків

Рис.10. Порівняння часу виконання часового аналізу схеми | Рис.11. Коефіцієнт прискорення виконання часового аналізу схеми при використанні створеного обчислювального Grid середовища

У висновку сформульовано основні результати дисертаційної роботи, що виносяться на захист.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ

В дисертаційній роботі досліджено і реалізовано новий підхід до створення розподілених мережних систем комп’ютерного проектування, які базуються на новітніх досягненнях інформаційних технологій.

Основні результати, отримані в дисертаційній роботі:

1. Запропоновано для створення сучасних розподілених САПР використовувати технологію Grid, яка, на відміну від вживаних зараз технологій, забезпечує:

· об’єднання апаратних засобів і програмних комплексів САПР в єдине мережне середовище зі швидкісними комунікаційними каналами для створення обчислювальної потужності з метою розв’язання великих проектів;

· підтримку сумісної роботи команди інженерів в гетерогенних апаратних і програмних платформах;

· можливість резервування, планування використання та обліку різних ресурсів, необхідних для виконання проектувальних робіт;

· можливість роботи у мережному розподіленому середовищі з активними системами безпеки (брандмауерами, проксі-серверами), що практично неможливо при використанні інших технології.

2. Проведено аналіз і систематизовано інформацію про можливості і інструментарій Grid для застосування його при створенні розподіленої САПР (в тому числі виявлено джерела вільного програмного забезпечення розробника розподілених систем в середовищі Grid) і показано, що при його використанні створення САПР зводиться, головним чином, до розробки логіки функціонування САПР.

3. Сформовано рекомендації до розробки розподілених САПР на базі технології Grid, які проілюстровано на прикладі САПР для схемотехнічного проектування надвеликих електронних схем.

4. Розроблено діакоптичний метод проведення часового аналізу великих електронних схем за допомогою розбиття на підсхеми, який, на відміну від існуючих, відрізняється:

· застосуванням подвійного різношвидкісного інтегрування рівнянь всієї схеми і окремих підсхем;

· розбиттям повної схеми на підсхеми, при якому схема розбивається на частини за інерційними властивостями, час обчислення яких був би приблизно однаковим, а не на основі мінімізації кількості змінних зв’язку між підсхемами;

· застосуванням процедури прогнозування значень змінних зв’язку в проміжку між окремими кроками на відміну від звичайної фіксації їх значень, що призводить до зменшення кількості часових кроків.

5. Експериментальними дослідженнями з різними схемами на розподіленій САПР, побудованій на локальній мережі, доведено перевагу технологій Grid над іншими варіантами організації паралельних обчислень завдяки, перш за все, автоматичному балансуванню навантаження окремих процесорів, повному використанні наявних ресурсів, використанню сучасних підсистем забезпечення безпеки, використанню відкритих протоколів і стандартів.

ОСНОВНІ ПРАЦІ, ОПУБЛІКОВАНІ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. С.В. Величкевич, А.И. Петренко Распределенная, интегрированная вычислительная среда Grid // Электроника и связь. – 2003. – Т19. С.36-42.

Здобувачем виконано аналіз складових частин інтегрованого обчислювального середовища Grid.

2. С.В. Величкевич Архитектура вычислительного уровня распределенной САПР // Электроника и связь. – 2004, № 21, Том 9. – С.21-25.

3. С.В. Велічкевич, А.І. Петренко Розподілена САПР з використанням технології Grid сервісів. //Наукові Вісті НТУУ «Київський Політехнічний Інститут». – 2004, №3. – С.30-37

Здобувачем запропоновано архітектуру розподіленої САПР з використанням технології Grid сервісів.

4. С.В. Величкевич Исследование технологий построения распределенной САПР // Электроника и связь. – 2005, № 25. – С.89-94.

5. Величкевич С.В. Использование технологии GRID в распределенных системах автоматизированного проектирования Вісник Київського національного університету імені Тараса Шевченка Thesis of International Conference Dynamical System Modeling and Stability Investigation Kiyv – 2005, C. 370

6. С. Величкевич, Ю. Демченко, Использование Грид-технологии для построения распределенных САПР // 12 конференция представителей научно-образовательных сетей RELARN-2005: Сборник тезисов докладов – Нижний Новгород-Казань: 2005г. – С. 221-224

Здобувачем проаналізовано технологію Grid щодо застосування її при створені САПР.

АНОТАЦІЇ

Велічкевич С. В. Розподілена САПР схемотехнічного моделювання з використанням технології Grid. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.12 – Системи автоматизації проектувальних робіт. – Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”. – Київ, 2005.

Дисертація присвячена дослідженню ефективних варіантів створення системи автоматизованого проектування електронних схем, яка здатна виконувати процедури схемотехнічного аналізу у паралельному розподіленому середовищі. В роботі для створення сучасних розподілених САПР запропоновано використання технології Grid, яка забезпечує об’єднання апаратних засобів і програмних комплексів САПР в єдине мережне середовище, підтримку сумісної роботи команди інженерів в гетерогенних апаратних і програмних платформах, можливість резервування, планування використання та обліку ресурсів, можливість роботи у мережному розподіленому середовищі з активними системами безпеки. Сформовано рекомендації до розробки розподілених САПР на базі технології Grid, які проілюстровано на прикладі САПР для схемотехнічного проектування великих електронних схем, а також показано, що при використанні інструментарію GT4 створення САПР зводиться, головним чином, до розробки логіки функціонування САПР. Розроблено діакоптичний метод проведення часового аналізу великих електронних схем, який використовує процедуру подвійного різношвидкісного інтегрування рівнянь всієї схеми і окремих підсхем, застосовує процедури прогнозування значень змінних зв’язку в проміжку між окремими кроками, на відміну від звичайної фіксації їх значень.

Для проведення експериментального моделювання на основі запропонованого діакоптичного методу аналізу електронних схем була створена САПР схемотехнічного моделювання з використанням технологій Grid, а також при порівняні отриманих результатів показано переваги запропонованих методів та архітектури розподіленої системи автоматизованого проектування.

Ключові слова: розподілена САПР, Grid, діакоптика, моделювання, паралельні алгоритми, часовий аналіз.

Величкевич С. В. Распределенная САПР схемотехнического моделирования с использованием технологии Grid. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.12 – Системы автоматизации проектировочных работ. – Национальный технический университет Украины “Киевский политехнический институт”. – Киев, 2005.

Современный уровень развития техники и технологий диктует необходимость анализа с помощью систем автоматизированного проектирования сложных объектов, размерность математической модели которых очень большая (количество уравнений превышает десятки и сотни тысяч). Практически все существующие САПР созданы для работы в однопроцессном режиме. Этот факт практически не позволяет решение задачи проектирования объектов с такой размерностью математической модели в приемлемое время с заданной точностью. Таким образом, задача создания распределенной САПР, которая при полном использовании имеющихся в распоряжении ресурсов снимает ограничение максимальной размерности проекта и сокращает время проектирования, является очень актуальной

Диссертация посвящена исследованию эффективных вариантов создания системы автоматизированного проектирования электронных схем, которая способна выполнять процедуры схемотехнического анализа в параллельном распределенном окружении.

Для создания любой распределенной системы, в том числе и распределенной САПР, необходимо рассмотреть существующие архитектуры и технологии, определить критерии, которым должна удовлетворять выбранная технология. В работе выполнен анализ современных технологий и программных комплексов построения распределенных вычислительных систем. Для создания современных распределенных САПР предложено использование технологии Grid, которая обеспечивает объединение аппаратных средств и программных комплексов САПР в единое сетевое окружение, поддержку совместной работы команды инженеров в гетерогенных аппаратных и программных платформах, возможность резервирования, планирования использования и учета ресурсов, возможность работы в сетевом распределенном окружении с активными системами безопасности. Проведен анализ и систематизирована информация об инфраструктуре, возможностях и инструментарии Grid для использования этой технологии при создании распределенной САПР, определены источники свободного программного обеспечения разработчика Grid. Разработана структура распределенной САПР для схемотехнического моделирования с использованием Grid инфраструктуры в качестве программного обеспечения промежуточного уровня. Сформированы рекомендации к разработке распределенных САПР на базе, которые проиллюстрированы на примере САПР для схемотехнического проектирования больших электронных схем, а также показано, что при использовании инструментария GT4 создание САПР сводится, главным образом, к разработке логики функционирования САПР.

Одной из стратегических проблем при моделировании сложных систем является проблема размерности. Поэтому одним из стратегических направлений исследований методов решения задач САПР на сегодня является возможность использования много процессорных систем, и, как следствие, появилась необходимость разработки эффективных параллельных методов и алгоритмов на проектирования.

В работе исследованы существующие методы анализа электронных схем, рассмотрены варианты использования параллельных процедур на разных стадиях моделирования. Разработан диакоптический метод проведения анализа во временной области больших электронных схем, который использует процедуру двойного разноскоростного интегрирования уравнений всей схемы и отдельных подсхем, применяет процедуры прогнозирования значений переменных связи в промежутках между отдельными шагами, в отличие от обычной фиксации их значений.

Для проведения экспериментального моделирования на основе предложенного диакоптического метода анализа электронных схем была создана САПР схемотехнического моделирования с использованием технологии Grid, а также при сравнении полученных результатов показано преимущества предложенных методов и архитектуры распределенной системы автоматизированного проектирования.

Ключевые слова: распределенная САПР, Grid, диакоптика, моделирование, параллельные алгоритмы, анализ во временной области.

Velichkevych S. V. Distributed Circuit Simulation Computer Aided Design Systems with Grid technology using. – Manuscript.

Ph.D. thesis on the specialty 05.13.12 – Computer Aided Design Systems. –National Technical University of Ukraine “Kyiv Polytechnic Institute”, Kyiv, 2005.

An effective ways for building EDA system which allow execute procedures of schematic analyses in parallel distributed environment are researched in the thesis. The usage of the Grid technology for building modern distributed EDA system is proposed. The Grid allow to unite CAD hardware and software into single network environment, support engineer’s team collaboration in heterogeneous environment, allow to reserve, plan and account recourses usage, allow to work with active network security systems. Proposed and implemented the approach of building EDA systems based on the Grid technology. Diacoptic method of transient analysis is proposed. The method use procedure of the double different-speed integration of whole circuit and each subcircuits equations, as well as prediction procedure of relation variables values on the separated step interval in contrast to usual fixation