ГЛАВА 9
ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ РАЗРАБОТКИ БИС КОММУТАТОРА ЦИФРОВЫХ КАНАЛОВ СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ
10.1 ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ЗАКАЗНОЙ БИС
Заказные БИС обычно производятся большими партиями по специальному заказу, но все равно такие БИС являются дорогими, по сравнению с серийными, так как требуют тех же затрат на разработку, при намного меньшем числе БИС в серии. 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 коммутатор в виде одной заказной БИС.
10.2 ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ
Выбор оптимального строения структурной схемы БИС коммутатора в наибольшей степени зависит от выбора оптимальных условий формирования уплотненного временного канала.
Проведем сравнение этих условий по следующим критериям:
по числу функций, выполняемых блоками коммутатора;
по внутренней частоте;
по стоимости реализации коммутатора;
по рациональному использованию оперативной памяти.
Рассмотрим три способа формирования группового канала: 1 - традиционный; 2 – реализованный в прототипе; 3 – с параллельной шиной. Традиционный способ состоит в формировании одного уплотненного по времени канала из 8ми входящих групповых каналов простым повышением тактовой частоты в восемь раз. Этот способ невыгоден, так как с увеличением внутренней частоты уменьшается количество операций выполняемых отдельными блоками коммутатора и усложняется схемотехника всего устройства в целом. Способ, реализованный в прототипе, заключается в передачи отдельно четных и нечетных импульсов уплотненного канала. Этот способ хоть и позволяет устранить некоторые сложности схемотехнического плана (внутренняя частота снижена в два раза по сравнению с традиционным способом), но не решает всей проблемы в целом. В качестве оптимального выбран 3ий способ. Этот способ подразумевает передачу уплотненного по времени канала по параллельной восьмиразрядной шине, что позволяет не увеличивать внутреннюю частоту и одному блоку выполнять большее количество функций (так, например блок ЦИКЛОВОГО ВЫРАВНИВАНИЯ И КОММУТАЦИИ помимо коммутации выполняет цикловое выравнивание, и формирование уплотненного временного канала). Что позволяет снизить задержки прохождения сигнала через БИС и рациональней использовать внутренние запоминающие устройства (для коммутации, циклового выравнивания и преобразования кода используются одни и те же ОЗУ). Все это позволяет снизить себестоимость устройства в целом.
10.3 ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ТЕХНОЛОГИИ ПОСТРОЕНИЯ БИС
К разрабатываемой БИС коммутации 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:
Большая степень интеграции;
Меньшая функциональная гибкость;
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 коммутатора при относительно низких затратах на производство.
Выбор технологии производства БИС производится методом анализа иерархий. Варианты, которые были рассмотрены, представлены в таблице 10.1.
Таблица 10.1
Возможные варианты технологий производства заказной БИС.
При заполнении таблиц использовалась шкала относительной важности, приведенная в таблице 10.2.
Таблица 10.2.
Шкала относительной важности.
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 10.3) ,6 матриц попарных сравнений альтернатив по отношению к каждому критерию (таблицы 10.4, 10.5, 10.6, 10.7, 10.8, 10.9).
В матрицах приняты следующие обозначения:
Xi - локальный приоритет, определяемый по формуле : Xi= EMBED Equation.2 ,
EMBED Equation.2 - сумма по столбцу EMBED Equation.2 .
A - вариант реализации на ТТЛ(Ш),
B - вариант реализации на ЭСЛ,
C - вариант реализации на nМДП,
D - вариант реализации на КМДП.
Таблица 10.9
Стоимость.
Рассчитаем отношение согласованности по следующей формуле:
ОС = ИС/СС, где (10.1)
ИС = (?il - n)/(n - 1); (10.2)
n=4; СС=0,9
?il = ? Xi * ? yij = 0,95 + 1,19 + 1,04 + 0,91 = 4,09; (10.3)
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 10.10, из которой видно, что наибольший приоритет у варианта реализации БИС коммутации с использованием КМДП технологии.
Таблица 10.10.
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 10.3. приведена матрица сравнения критериев. Наибольший локальный приоритет у критерия «площадь». По данным таблицы 10.9 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 коммутатора.
10.4 РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ
10.4.1 РАСЧЕТ ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЕЖНОСТИ.
При расчете определим следующие показатели:
наработка на отказ Т [ч];
вероятность безотказной работы за год (8760 часов).
T=1/ ? , где ?— интенсивность отказов устройства;
EMBED Equation , где ?i — интенсивность отказов i-го элемента;
Рбр(t = 8760) = е - ?t = e - ?8760. (10.4)
Расчет интенсивности отказов элементов приведен в таблице 10.11.
Таблица 10.11
? = 10-6 [1/ч];
T = 1/ ? = 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.
Рбр(t = 8760) = е - ?t = e - ?8760 ? 0,991.
10.4.2 РАСЧЕТ СЕБЕСТОИМОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ БИС.
БИС изготовлена на основе кремниевого кристалла по технологии КМДП. Себестоимость БИС равна: СБИС = П + Скр+ З+ ЦР + ОЗР, где
П — стоимость покупных деталей (корпус, проводники и т.д.);
Скр — 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 10.12.)
Таблица 10.12
2. Себестоимость изготовления кристалла ИС.
Расходы на зарплату:
Плотность компоновки ?факт =498/3,5=142,28 эл/см2, а ?норм = 75 эл/см2.
Определим коэффициент пересчета Кпересч.= ?факт / ?норм = 142/75 = 1,9
Расценок на 1 см2:
Рц =0,8*Рд+ ?Рц ; Pд = 0,1руб/см2
?Рц = Рд*0.2* Кпересч
Рц = 0,8*0,1+0,1*0,2*1,9 = 0,12 руб/см2
Расходы на зарплату (без учета расходов на социальные нужды):
Зкр1= Рц1* Sкр=0,5 * 3,5= 1,75 руб.
Расходы на зарплату (с учетом расходов на социальные нужды +41%):
Зкр= 1,41 * Рц1* Sкр= 1,41 * 0,5 * 3,5= 2,47 руб.
Себестоимость изготовления кристалла ИС:
Скр = Зкр + М + Н, где Н — накладные расходы
Н=2,2* Зкр=2.2*2,47=5,43 руб.
Скр=2,47 + 2,38 + 5,43 = 10,28 руб.
3. Расчет расходов на зарплату при изготовлении БИС.
Трудоемкость работ:
подготовка кристалла к фотолитографии tпф.=Sкр * 10 сек/см2 = 3,5 * 10 = 350 сек = 0,01 ч;
непосредственно процесс фотолитографии и формирования элементов tфл.=Sкр* 5 ч/см2= 3,5*5 = 17,5ч;
пайка внешних выводов tпвв.=Sкр*1сек/10см2= 3,5/10 = 0.35сек =0,0001ч;
проверка работоспособности и настройка tпрн.=Sкр*10мин/10см2= 3,5*10/10 = 3,5мин= 0,06ч;
промывка и лакировка корпуса tплк.=Sкр*4мин/10см2=3,5*4/10=1,4мин = 0,02ч.
Рассчитаем расходы на зарплату при изготовлении блока. Результаты можно свести в таблицу (см. таблица 10.13)
Таблица 10.13
4. Цеховые накладные расходы на изготовление устройства; примем коэффициент увеличения равным 2,7 (среднеотраслевой коэффициент):
ЦР = 2,7* Зустр = 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* Зустр = 1,3*0,65 = 0,84руб.
Себестоимость изготовления разрабатываемой БИС:
П = 0,3*6,05 = 1,82 руб.
СБИС = П + Скр + Зустр + ЦР + ОЗР= =1,82+10,28+0,65+1,76+0,84 =15,35 руб.
Расчет оптовой цены:
Цопт = СБИС (1 + ?/100)=15,35 (1+0,15) = 17,65 руб.
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.
