ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ  ОБОСНОВАНИЕ

 РАЗРАБОТКИ  БИС ГРУППОВОГО  КАНАЛЬНОГО

ИНТЕРФЕЙСА  ЦИФРОВОЙ СИСТЕМЫ  ПЕРЕДАЧИ

9.1.         ОБОСНОВАНИЕ  ВЫБОРА  ЗАКАЗНОЙ  БИС

Увеличение  степени  интеграции  ИС  приводит  к  их  функциональной  специализации  и затратам  на  разработку . Это приводит  к  тому , что заказные  БИС  обычно  производятся  малыми  партиями  по  специальному  заказу,  поэтому  такие  БИС  являются  очень  дорогими,  по  сравнению  с  серийными,  так  как  требуют  тех  же  затрат  на  разработку,  при  намного  меньшем  числе  БИС  в  серии . Кроме  этого  высокая  степень   функциональной   специализации  таких  БИС  требует  от  проектировщика  глубоких  специальных  схемотехнических  знаний . Но  при  использовании  серийных  интегральных  схем  их  количество  в  проектируемом  устройстве  составляло  бы  несколько  десятков,  что  существенно  снизило  бы  надежность,  увеличило  бы  количество  потребляемой  энергии,  потребовало  бы  намного  большей  площади,  при  тех  же  реализуемых  функциях;  и  в  итоге  оказалось  бы  экономически  нецелесообразным.  Поэтому  было  решено  строить интерфейс  в  виде  одной  заказной  БИС.

9.2.         ОБОСНОВАНИЕ  ВЫБОРА  СТРУКТУРНОЙ  СХЕМЫ

   Выбор  оптимального  строения  структурной  схемы  БИС интерфейса  в наибольшей  степени  зависит  от  выбора  оптимальных  условий  формирования  уплотненного  временного  канала.

            Проведем  сравнение  этих   условий  по  следующим  критериям:

·        по  числу  функций,  выполняемых  блоками  интерфейса ;

·        по  внутренней  частоте;

·        по  стоимости  реализации  интерфейса;

·        по  рациональному  использованию  оперативной  памяти.

Рассмотрим  три  способа  выделения  и  вставки  каналов:  

1 - традиционный; 

2 – реализованный  в  прототипе; 

3 – с  параллельной  шиной.

          Традиционный  способ  состоит  в  выделения ( или  вставки ) одного  уплотненного  по  времени  канала  из  64^х  входящих  групповых  каналов простым  извлечением его  из  всеобщего  потока  посредством  увеличения ( или  уменьшения ) числа  интерфейсом . Этот  способ  невыгоден,  так  как  с  увеличением  числа  интерфейсов  увеличивается  количество  коммутаторов.

          Это  приводит  к   увеличению  объема  обработки , выполняемого коммутатором  и  увеличением  тактовой  частоты  в  два , четыре  , восемь  раз  по                  

сравнению  с данной . А  это  приводит  к тому , что  уменьшается  количество  операций  выполняемых  отдельными  блоками  коммутатора  и   усложняется  схемотехника  всего  устройства  в  целом.  

          Способ,  реализованный  в  прототипе,  заключается  в  выделении  и  вставке  16 ^го служебного  канала  если  тактовая  частота  совпадает  со  станционной  частотой . Этот  способ   хоть  и  позволяет  устранить  некоторые  сложности  схемотехнического  плана ,  но  не  решает  всей  проблемы  в  целом , т.к.  не  всегда  эти  частоты  совпадают  и  на  выравнивание  приходится  применять  более  сложную  аппаратуру .

          В  качестве  оптимального  выбран  3^ий  способ .   Этот  способ  подразумевает  выделение  16 ^го  канала  из  внутренней  оперативной  памяти , в которую  записываются  каналы , которые  пришли  ранее синхросигнала ( нулевого  канала ) . Все  это  позволяет  в  некотором  виде  снизить  себестоимость  устройства  в  целом .

9.3.         ОБОСНОВАНИЕ  ВЫБОРА  ТЕХНОЛОГИИ  ПОСТРОЕНИЯ  БИС

К  разрабатываемой  БИС интерфейса  предъявляются  следующие  требования,  которые  позволяют  более  плодотворно  вести  работу  по  созданию данного устройства:

·        возможность интегрирования  в  существующие  цифровые  системы  передачи  данных  (в  частности  построение  одно-  и  многозвенных  систем  на  основе  разрабатываемой  БИС);

·        простота управления;

·        невысокая стоимость.

 Для  обеспечения  возможности  интегрирования  в  существующие  цифровые  системы  необходимо  применять стандартные  схемотехнологии  построения  БИС,  обладающие  широкой  распространенностью.  Следовательно,  для  своей  реализации  разрабатываемое  устройство  требует  определенные  промышленные  наработки  различных  технологий.  На  современном  этапе  производительность  той  или  иной  технологии  не  может  быть измерена  только  количеством  элементов  (чаще  всего  транзисторов)  на  единице  площади,  как  это  часто  делается  для  интегральных  схем.  Логическая  функция  (И-НЕ  или  ИЛИ-НЕ)  реализованная  по  одной  технологии  необязательно  эквивалентна  по  количеству  элементов  соответствующей логической  функции  реализованной  на  основе  другой  технологии, поэтому число элементов  на  единицу  площади  не  является  основным  критерием  сравнения  технологий. В  этом  случае  важны  и  другие характеристики БИС  реализованных  на  основе  разных  технологий,  отражающие  их  функциональные  возможности,  способы  реализации  логических  функций.

От других типов  БИС,  заказные    интегральные  схемы  отличаются  следующими  своими  свойствами:

1.        Большая  степень  интеграции;

2.        Меньшая  функциональная  гибкость;

3.        Аппаратная  поддержка  выполняемых  команд.

Все  эти  и  некоторые  другие  свойства  позволяют  реализовывать на них  сложные  алгоритмы  обработки  цифровых  сигналов  при  относительно низких затратах.

       Таким  образом,  использование  заказной   БИС,  реализованной  на  отработанной  технологии  производства,  существенно  уменьшит ограничения  на  сложность  реализации  интерфейса  при  относительно низких  затратах  на  производство.

Выбор  технологии  производства  БИС  производится  методом  анализа иерархий . Варианты , которые были рассмотрены , представлены в                таблице  9.1.

Возможные  варианты  технологий  производства  заказной  БИС.

Таблица 9.1

При  заполнении  таблиц  использовалась  шкала  относительной  важности,  приведенная  в  таблице  9.2.

Шкала относительной важности.

Таблица 9.2.

Выбор  производится  по  следующим  критериям:

·        Быстродействие;

·        Помехоустойчивость;

·        Потребляемая  мощность;

·        Площадь,  занимаемая  на  кристалле;

·        Совместимость  (возможность  интеграции  БИС,  построенной  по  данной  технологии,  с   БИС,  построенными  по  другой  технологии);

·        Стоимость.

На  основании  этих  данных  были  составлены  7  матриц:  матрица  попарных  сравнений  для  критериев,  по  которой  определяется  наиболее  важный  (таблица 9.3) ,6  матриц  попарных  сравнений  альтернатив  по  отношению  к  каждому  критерию  (таблицы  9.4,  9.5,  9.6,  9.7,  9.8, 9.9).

В матрицах  приняты  следующие  обозначения:

X_i - локальный  приоритет,  определяемый по формуле : X_i=

  сумма  по  столбцу

A  -  вариант  реализации  на  ТТЛ(Ш),

B  -  вариант  реализации  на  ЭСЛ,

C  -  вариант  реализации  на  nМДП,

D  -  вариант  реализации  на  КМДП.

Таблица 9.3.

Рассчитаем  отношение  согласованности  по  следующей  формуле:

ОС = ИС/СС, где                                       (9.1)

ИС  = (l_il - n)/(n - 1);                                   (9.2)

n=6;  СС=1,2

l_il  =  S X_i * S y_ij =  1,17  +  1,33  +  0,96  +  1,54  +  0,88  +  0,88  =  6,76;     (9.3)

ИС  = (6,76 - 6)/(6 - 1) = 0,152;

ОС = 0,152/1,2 =  0,127.

ОС<0,2;  следовательно,  оценки  пересматривать  не  надо.

Быстродействие.

Таблица 9.4

Рассчитаем отношение  согласованности по следующей формуле:

ОС = ИС/СС, где                                       (9.1)

ИС  = (l_il - n)/(n - 1);                                   (9.2)

n=4;  СС=0,9

l_il  =  S X_i * S y_ij =  1,27  +  0,97  +  1,04  +  0,92  =  4,20;         (9.3)

ИС  = (4,2 - 4)/(4 - 1) = 0,067;

ОС = 0,067/0,9 =  0,074.

ОС<0,2;  следовательно,  оценки  пересматривать  не  надо.

Помехоустойчивость.

Таблица 9.5

Рассчитаем  отношение  согласованности  по  следующей  формуле:

ОС = ИС/СС, где                                       (9.1)

ИС  = (l_il - n)/(n - 1);                                   (9.2)

n=4;  СС=0,9

l_il  =  S X_i * S y_ij =  1,09  +  0,90  +  1,09  +  0,96  =  4,04;         (9.3)

ИС  = (4,04 - 4)/(4 - 1) = 0,013;

ОС = 0,013/0,9 =  0,014.

ОС<0,2;  следовательно,  оценки  пересматривать  не  надо.

Потребление.

Таблица 9.6

Рассчитаем  отношение  согласованности  по  следующей  формуле:

ОС = ИС/СС, где                                       (9.1)

ИС  = (l_il - n)/(n - 1);                                   (9.2)

n=4;  СС=0,9

l_il  =  S X_i * S y_ij =  1,19  +  0,88  +  1,26  +  0,92  =  4,25;         (9.3)

ИС  = (4,25 - 4)/(4 - 1) = 0,083;

ОС = 0,083/0,9 =  0,092.

ОС<0,2;  следовательно,  оценки  пересматривать  не  надо.

Площадь.

Таблица 9.7

Рассчитаем  отношение  согласованности  по  следующей  формуле:

ОС = ИС/СС, где                                       (9.1)

ИС  = (l_il - n)/(n - 1);                                   (9.2)

n=4;  СС=0,9

l_il  =  S X_i * S y_ij =  1,07  +  0,99  +  0,75  +  1,24  =  4,05;         (9.3)

ИС  = (4,05 - 4)/(4 - 1) = 0,017;

ОС = 0,017/0,9 =  0,019.

ОС<0,2;  следовательно,  оценки  пересматривать  не  надо.

Совместимость.

Таблица 9.8.

Рассчитаем  отношение  согласованности  по  следующей  формуле:

ОС = ИС/СС, где                                       (9.1)

ИС  = (l_il - n)/(n - 1);                                   (9.2)

n=4;  СС=0,9

l_il  =  S X_i * S y_ij =  1,19  +  0,88  +  1,08  +  0,94  =  4,09;         (9.3)

ИС  = (4,09 - 4)/(4 - 1) = 0,03;

ОС = 0,03/0,9 =  0,033.

ОС<0,2;  следовательно,  оценки  пересматривать  не  надо.

Стоимость.

Таблица 9.9

Рассчитаем  отношение   согласованности  по  следующей  формуле:

ОС = ИС/СС, где                                       (9.1)

ИС  = (l_il - n)/(n - 1);                                   (9.2)

n=4;  СС=0,9

l_il  =  S X_i * S y_ij =  0,95  +  1,19  +  1,04  +  0,91  =  4,09;         (9.3)

ИС  = (4,09 - 4)/(4 - 1) = 0,03;

ОС = 0,03/0,9 =  0,033.

ОС<0,2;  следовательно,  оценки  пересматривать  не  надо.

Глобальный  приоритет  для  каждой  альтернативы  вычисляется  как сумма  произведений  локальных  приоритетов  на  соответствующий  весовой коэффициент.  Глобальные  приоритеты  приведены  в  таблице 9.10, из которой  видно,  что  наибольший  приоритет  у  варианта  реализации  БИС  коммутации  с  использованием  КМДП  технологии.

Таблица  9.10.

Выводы: С  помощью  метода  анализа  иерархий  проведено  сравнение следующих  типов  технологий  производства  БИС  по  следующим  критериям:  1)  быстродействие;  2)  помехоустойчивость;  3)  потребляемая  мощность;  4)  площадь,  занимаемая  на  кристалле;  5)  совместимость;  6)  стоимость. Предпочтение  отдается  технологии  КМДП. В  таблице  9.3. приведена  матрица  сравнения  критериев. Наибольший  локальный  приоритет  у  критерия  «площадь». По  данным  таблицы  9.9  локальный приоритет  пМДП  технологии  превалирует  над  локальными  приоритетами других  технологий,  но  в  других  случаях  локальный  приоритет  КМДП  выше.  Конечным  этапом  сравнения  является  синтез  глобальных  приоритетов.  Наибольший  глобальный  приоритет  имеет  КМДП  технология, она  и  будет  использоваться  для  реализации  заказной  БИС  интерфейса .

9.4  РАСЧЕТ  ОСНОВНЫХ   ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ 

ПОКАЗАТЕЛЕЙ

9.4.1 РАСЧЕТ  ПОКАЗАТЕЛЕЙ  НАДЕЖНОСТИ.

При  расчете  определим  следующие  показатели:

1.       наработка  на  отказ  Т  [ч];

2.       вероятность  безотказной  работы  за  год  (8760  часов).

T=1/ L  , где L— интенсивность отказов устройства;

l_i —  интенсивность отказов i-го элемента;

Р_бр(t = 8760) =  е ^{- Lt}  =  e ^{- L8760}.                          (9.4)

Расчет интенсивности отказов элементов приведен в таблице  9.11.

Таблица 9.11

L = 10^-6   [1/ч];

T = 1/ L = 1/10^-6 = 10⁶ [час];

Время  наработки  на  отказ  производители  различных  электронных  компонентов  стараются  сделать  как  можно  больше,  для  того  чтобы  при  интегрировании  этих  компонентов  в  одном   устройстве (на  одной  печатной  плате)  время  наработки  на  отказ  тоже  было  бы  большим  (при  интеграции  п  компонентов   время  наработки  на  отказ  уменьшается  приблизительно  в  п  раз).  И  поэтому  время  наработки  на  отказ  данной  БИС  составляет  около  114  лет,  т.е.  намного  больше  срока  морального  старения.

Р_бр(t = 8760) =  е ^{- Lt}  =  e ^{- L8760} »  0,991.

9.4.2 РАСЧЕТ  СЕБЕСТОИМОСТИ   ИЗГОТОВЛЕНИЯ  БИС.

БИС  изготовлена  на  основе  кремниевого  кристалла  по  технологии  КМДП.  Себестоимость  БИС  равна: С_БИС = П + С_кр+ З+ ЦР + ОЗР, где

П — стоимость  покупных  деталей  (корпус,  проводники  и  т.д.);

С_кр — себестоимость  изготовления  кристалла  ИС;

З — расходы на основную заработную плату;

ЦР — цеховые расходы;

ОЗР — общезаводские расходы.

1. Рассчитаем  стоимость  покупных  изделий  П.(Цены на компоненты сведены в таблицу 9.12.) 

Таблица 9.12

2.  Себестоимость  изготовления  кристалла  ИС.

Расходы  на зарплату:

Плотность  компоновки r_факт =498/3,5=142,28 эл/см², а  r_норм = 75 эл/см².

Определим коэффициент пересчета К_{пересч.}= r_факт / r_норм = 142/75 = 1,9

Расценок  на 1 см²:

Р_ц =0,8*Р_д+ DР_ц ;  P_д = 0,1руб/см²

DР_ц = Р_д*0.2* К_пересч

Р_ц = 0,8*0,1+0,1*0,2*1,9 = 0,12 руб/см²

Расходы на зарплату (без  учета  расходов  на  социальные  нужды):

   З_кр1= Р_ц1* S_кр=0,5 * 3,5= 1,75  руб.

Расходы  на  зарплату  (с  учетом  расходов  на  социальные  нужды   +41%):

З_кр= 1,41 * Р_ц1* S_кр= 1,41 * 0,5 * 3,5= 2,47  руб.

Себестоимость изготовления кристалла  ИС:

С_кр = З_кр + М + Н, где Н — накладные расходы

Н=2,2* З_кр=2.2*2,47=5,43 руб.

С_кр=2,47 + 2,38 + 5,43 = 10,28 руб.

3. Расчет расходов на зарплату при изготовлении БИС.

Трудоемкость работ:

*                    подготовка  кристалла  к  фотолитографии                                        t_пф.=S_кр * 10  сек/см² = 3,5 * 10 = 350 сек = 0,01 ч;

*                    непосредственно  процесс  фотолитографии  и   формирования  элементов                                                                                                                          t_фл.=S_кр* 5  ч/см²= 3,5*5  = 17,5ч;

*                    пайка внешних  выводов                                                            t_пвв.=S_кр*1сек/10см²= 3,5/10 = 0.35сек =0,0001ч;

*                    проверка  работоспособности  и настройка                                  t_прн.=S_кр*10мин/10см²= 3,5*10/10 = 3,5мин= 0,06ч;

*                    промывка  и  лакировка  корпуса      t_плк.=S_кр*4мин/10см²=3,5*4/10=1,4мин = 0,02ч.

Рассчитаем расходы на зарплату при изготовлении блока. Результаты можно свести в таблицу   (см.  таблица  9.13)  

Таблица 9.13

4. Цеховые накладные расходы на изготовление устройства;  примем  коэффициент  увеличения  равным  2,7 (среднеотраслевой  коэффициент):

ЦР = 2,7* З_устр = 2,7*0,65 = 1,76 руб.

  5. Общезаводские накладные расходы на изготовление устройства;  примем  коэффициент  увеличения  равным  1,3  (среднеотраслевой  коэффициент):

ОЗР = 1,3* З_устр = 1,3*0,65 =  0,84руб.

Себестоимость изготовления разрабатываемой  БИС:

П = 0,3*6,05 = 1,82 руб.

С_БИС = П + С_кр + З_устр + ЦР + ОЗР=                                   =1,82+10,28+0,65+1,76+0,84 =15,35  руб.

  Расчет оптовой цены:

Ц_опт = С_БИС  (1 + r/100)=15,35 (1+0,15) = 17,65  руб.

9.5.         ВЫВОДЫ

Основываясь  на  вышеприведенных  фактах,  было  выбрано  использование  заказной  БИС  на  основе  КМДП  технологии.  Как  видно  из  экономического  расчета  такая  БИС  обладает  достаточно  низкой  себестоимостью  и  хорошими  показателями  надежности,  что  очень  важно  при  использовании  данной  БИС  в  системах  общего  пользования,  таких  как  городские  телефонные  сети,  работающих  круглые  сутки.