Файл: kursovaya_2014Optimizatsia.doc

 ПРЦВШ (филиал) ФГБОУ ВПО

«МГУТУ имени К.Г. Разумовского»

(ПКУ)

КАФЕДРА

ТЕХНИЧЕСКИЙ СЕРВИС

Курсовая работа

на тему:

«Оптимизация электронных средств»

Выполнил: ст. гр. 10К2

Полякова С.И.

Проверил: к.т.н., доцент

Долотин А. И.

Пенза 2014

СОДЕРЖАНИЕ

1 Теоретическая часть………………….……………………..………………..3 1.1 Общая характеристика задач оптимального проектирования РЭУ…..…3 1.2 Основные сведения о задачах оптимизации ЭС.…………………..….…6 1.3 Оптимизация в задачах конструкторского проектирования…..…..…...8 2 Практическая часть………………………………………………...…….….15 2.1 Программные способы снижения энергопотребления и увеличения производительности…………………………………………………..….….15 2.2 Архитектурные способы снижения энергопотребления и увеличения производительности…………………………………………………..……..16 2.3 Перспективные методы решения проблемы ………….……………..17 2.4 Схемотехнические методы оптимизации …………………………..…18 ВЫВОД………………………………………………………………………..21 СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ………………………..….22

1 Теоретическая часть

1.1 Общая характеристика задач оптимального проектирования РЭУ.

Оптимальное проектирование в САПР радиоэлектронных устройств предназначено для доведения характеристик устройства до наивыс­шего возможного уровня путем применения поисковых процедур тео­рии оптимизации. Задача оптимального проектирования в САПР в ос­новном сохраняет специфику задачи доводки схемы на макете, так как по существу это одна и та же задача, но благодаря дополнительным воз­можностям она решается более эффективно. Так, вместо обычного для макета доведения характеристик схемы до требуемых в техническом за­дании (ТЗ) значений САПР в принципе позволяет полностью исследо­вать потенциальные возможности выбранной структуры схемы и после­довательно определить наилучшие значения всех необходимых харак­теристик, оценить влияние различных факторов на отклонения харак­теристик от оптимальных значений, вынести обоснованное суждение о невозможности получения заданного уровня характеристик на дан­ной структуре или данной элементной базе: выделить компоненты с чрезмерно большими коэффициентами влияния на характеристики устройства или принять обоснованное решение о замене отдельных компонентов более качественными.

---

При проектировании РЭУ большое внимание уделяется определе­нию статистических характеристик аппаратуры. Так как номиналы всех компонентов устройства подвержены случайному разбросу, лю­бые характеристики ИС и устройства в целом имеют вероятностный характер. При массовом изготовлении аппаратуры важна информация о размерах областей разброса характеристик РЭУ. Выявление в пол­ном объеме подобных зависимостей на макете обычно связано со столь большими затратами, что приходится использовать косвенные оценки. В САПР поставленную задачу оценки допустимого разброса можно интерпретировать как задачу оптимизации. Тогда последовательно отыскиваются наилучшее и наихудшее значения выбранной характе­ристики в многомерной области статистического или иного ухода пара­метров и при большом разбросе характеристик решается задача опти­мизации с целью его уменьшения.

Решение любой задачи оптимального проектирования в САПР на­чинается с выбора критерия оптимальности (целевой функции), гаран­тирующего улучшение характеристик РЭУ в результате работы поисковых процедур оптимизации.

Целевые функции оптимизации следует построить на множестве характеристик РЭУ таким образом, чтобы в конечном итоге были полу­чены наилучшие характеристики. Однако реализация этого положе­ния вызывает серьезные трудности, связанные со способом задания оп­тимальных характеристик. Предположим сначала, что функция, опи­сывающая требуемую характеристику, задана поточечно в некоторых узлах. Построение целевой функции, обеспечивающей близость (конеч­но, при корректности постановки задачи!) в этих узлах полученной на модели РЭУ характеристики к требуемой, не вызывает затруднений. Для этого достаточно считать целевой функцией сумму «квадратов (или любых четных степеней) отклонений от требуемых значений характе­ристики. При этом минимальным будет значение, равное нулю, что со­ответствует ситуации, когда обе характеристики в узлах совпадают. Следовательно, чтобы реализовать действительно оптимальное по своим характеристикам устройство, требуется знать при выбранных структуре РЭУ и элементной базе потенциально достижимые его харак­теристики. Однако для этого нам нужно исследовать потенциальные возможности схемы, что практически можно сделать лишь при опти­мизации.

Итак, чтобы при таком подходе корректно определить целевую функцию, необходимо провести оптимизацию, а для этого необходимо задать целевую функцию. Наличие здесь неразрешимого противоречия очевидно. Следовательно, при построении целевых функций целесооб­разно выбирать их таким образом, чтобы они не зависели от потен­циально возможных характеристик устройства.

---

Параметры РЭУ при оптимизации следует варьировать лишь в из­вестных пределах. Это обусловлено многими факторами. Такие пара­метры пассивных элементов, как сопротивления; емкости, индуктив­ности, должны быть положительными. Конструкция и технология из­готовления элементов лимитирует их значения и точность. Так, ем­кости конденсаторов, изготовленных по интегральной технологии, ог­раничены сверху, а резисторы с большими сопротивлениями нельзя выполнить точно. Технология изготовления определяет и предельно допустимые режимы работы компонентов. Все эти ограничения долж­ны учитываться при построении целевых функций задач оптимизации.

В практике проектирования общая оценка качества функциониро­вания РЭУ принимается на основании оценки совокупности значений отдельных характеристик. Поэтому в постановке задачи оптимального проектирования неизбежно будет присутствовать совокупность неза­висимых целевых функций, каждая из которых предназначена для улучшения какой-либо характеристики РЭУ. Подобные задачи приня­то называть задачами оптимизации с векторным критерием (при этом отдельные целевые функции интерпретируются как компоненты вектор-функции). Для того чтобы в области допустимых значений пара метров РЭУ существовала точка, в которой все составляющие вектора целевых функций принимают экстремальные значения, необходима в определенном смысле согласованность отдельных целевых функций, которая, как правило, не имеет места.

Основные подходы к построению единой целевой функции для задачи векторной оптимизации заключаются в следующем:

1. С помощью весовых коэффициентов отдельные целевые функции объединяются в общую, называемую функцией полезности. При этом задача векторной оптимизации сводится к задаче скалярной оптими­зации [10].

2. В тех случаях, когда весовые коэффициенты выбрать невозмож­но, при построении целевой функции можно использовать отклонения характеристик от каких-то граничных значений и решать задачу ми­нимизации максимального отклонения.

3. Часто при проектировании РЭУ требуемые значения многих ха­рактеристик задаются очень приблизительно, что приводит к неопре­деленности в постановке задачи оптимального проектирования. Подоб­ные задачи можно формулировать в терминах расплывчатых (нечет­ких) множеств и расплывчатых (лингвистических) переменных [651 и использовать для их решения соответствующий математический ап­парат [64].

---

Решению задачи векторной оптимизации, как отмечается в [101, существенно может помочь оперативное взаимодействие специалиста с ЭВМ, которое в САПР обеспечивается организацией диалогового ре­жима работы. Однако объем вычислений при оптимизации устройств по сравнению с анализом РЭУ возрастает по крайней мере на порядок. Поэтому число операций, затрачиваемых на решение становится фак­тором, определяющим эффективность оптимального проектирования РЭУ в САПР.

1.2 Основные сведения о задачах оптимизации ЭС.

Известно, что любое конструкторское решение определяется совокупностью определяющих конструкцию параметров, в качестве которых могут рассматриваться в том числе параметры ЭРИ, габариты, масса и свойства используемых конструкционных материалов, надежность, стоимость, уровень качества и пр.

Конструкторское решение, при котором достигаются наилучшие значения интересующих технико-экономических показателей, называют оптимальным.

Технико-экономический показатель, по значению которого делают вывод об оптимальности решения, называют целевой функцией. Иногда вместо термина «целевая функция» используют такие термины, как «критерий оптимизации», «критериальная функция», «функция качества», «экстремизируемый функционал» и т. п.

Параметры конструкторского решения, от значений которых в значительной степени зависит целевая функция, рассматриваются как оптимизируемые, а их значения, обеспечивающие экстремум целевой функции, называют оптимальными значениями оптимизируемых параметров.

Иногда говорят о «квазиоптимальном решении» или «псевдооптимальном решении», имея в виду, что найти оптимальное решение достаточно сложно, и на практике получают некоторое его приближение.

В общем случае, математическая формулировка оптимизационной задачи конструирования ЭС может быть записана следующим образом [3]:

(1.2.1)

где Q — экстремизируемый функционал; L — условия функционирования объекта; U — вектор (массив) варьируемых переменных (параметров); S — область значений Г, при которых они удовлетворяют требуемым ограничениям в виде:

(1.2.2)

---

Эти ограничения в форме равенств и неравенств связаны с необходимостью удовлетворения различных требований, предъявляемых к проектируемому ЭС.

В процессе проектирования определяются структура W системы и её параметры . В качестве параметров могут использоваться значения элементов электрических схем, характеристики электронных модулей и т. п.

Таким образом, в процессе проектирования ЭС определяется пара, состоящая из структуры W и вектора параметров С, которые подлежат оптимизации, т. е.

, (1.2.3)

компоненты которой находятся решением оптимизационной задачи:

, (1.2.4)

где W* и С* — соответственно оптимальные структура и параметры ЭС;

S_w, S_c — множества допустимых структур и параметров.

На различных этапах проектирования задачи формулируются с учетом вида критерия Q, состава варьируемых переменных и других особенностей исходных данных.

Рассмотрим некоторые оптимизационные задачи более подробно.

1.3 Оптимизация в задачах конструкторского проектирования

Основными задачами конструкторского проектирования являются задачи компоновки (разбиения), размещения и трассировки, решаемые на основе результатов схемотехнического проектирования.

В большинстве случаев под компоновкой понимают процесс перехода от схемы ЭС к конструктивному распределению (разбиению) всех элементов на группы, соответствующие конструктивам различных уровней (ИМС, функциональных узлов, блоков, стоек и т. Д.). Иногда выделяют три постановки задачи компоновки: типизация — разбиение схемы на конструктивные элементы различных типов; покрытие — преобразование исходной схемы в схему соединений элементов; разрезание — разбиение исходной схемы на части [3, 26, 65].

В дальнейшем под компоновкой будем понимать разрезание большой схемы (структурной, функциональной, логической, принципиальной) на части. Эта задача формулируется следующим образом.

---