大形コンピュータの自動設計

小特集･CAD/CAMシステムとその適用

_{u.D.C.る58.512.2.011.5占‥〔占81.322-1引.2:る21･3･049･774′14]}

大形コンピュータの自動設計

Design

Automation

for

Large

Scale

Computers

大形コンピュータの設計業務は,近年量的にますます増大するとともに,質的に もより高度なものが要求されている｡特に,最近のLSI化率の増大によって,論理 品質の完全化及び大量の精密設計作業への対処が必類引こなり,設計自動化は不可欠 なものになっている｡ 本設計自動化システムは,製造･検査日動化システムと ▲貰したト【タルシステ ムになっているが,ここでは,特に論理設計支授システムと実装設計自動化システ ムを中心に述べる｡ このシステムを使って,大形コンビューータの設計自動化を推進し,製■←こ】の高件能･ 高信頼性の確保,開発期間の短縮,LSIなどの先端技術の早期適用を実現している0 口

緒

言 コンピュータを使って■コンピュータを設計することを,コ ンピュータの設計自動化といい,DA(Design Automation) と呼ぶ｡近年の大形コンビュMタは,半噂体技術の進歩に伴 いより高速化,より高集積度化している｡これに加えて,論 理規模が増大し,その設計業務は量的に増大するとともに, 黄新の半導体技術を駆使するため質的にも応援化している∫-ト これらの問題に対処し,コンピュータ設計を可能とするには, もはやDAがなくてはならぬものとなっている｡) 以下,コンピュータ設計の概要と設計日動化トーータルシス テムの構成,自動化の範囲及び内谷について述べる｡ DAの土なねらし､は,製品の高什能･高イこ摘(件の確帆】iH 発期間の短縮,先立㌫技術の早期適札 原価帆減,設計者能力 の1右LL二,設計の標準化及び乳量t検査の自動化の促進である｡

Bコンピュータ設計の流れと自動化1)∼3)

コンピュータの設計手順は図lに示すとおりである｡製品 仕様が作成されると,基本論理￣方式を決定する方式設計,使 用する半導体･実装方式を決定する担】路設計,具体的な論理 回路図を作成する論理設計及びマイクロプログラム設計へと 展開する｡その後,実装設計を経て生産手配用及び製造検杏 用のデータ作成を行ない設計を完了する｡ 設計者の専門知識や判断を必要とする部分は,人手で行な い,一方,繰返し性の多い作業,厳密件を必要とする作業, 大量のデrタ整理など,機手戒処〕理に適した部分はコンピュー タで行なう｡すなわち,製品仕様作成から方式設計の段階は 主に人手で,論理設計の段l;皆は一一部自動で,そLて実装設計 以降のf那餌は主に自動で処理する｡ 設計自動化卜【タルシステムの構成を図2にホす｡本シス テムは論理設計支援システムと実装設計[】動化システムに大 別できるが,いずれも同一の設計デ【夕べースを鵜にトータ ルシステムを構成している｡ すなわち,論理設計支援システムで十分に検証きれた論理 情報をそのまま実装設計に供することにより,情報品質の低 下防止及び実装設計開始の布易さを伺っている｡ 本システムは,LSI,其枇及び装置の設計に適用できる0 また使いやすさを重視して,TSS(タイムシェアりングシス 回 琵各設 計 構 造 設 計 生産手配用 チータ作成 l + _

大野泰庚*

佐藤克弥* 岡

佑-*

堀越 弥** 加納 弘*** ｢￣￣￣￣￣￣￣￣￣｢

;

製品仕様作成 l

ニニニニ【二二二:ニ

l 方 式 設 計 l 式設計

_;

...一_..._.._.._+ 論 玉里設 計 実 装 設 計 (LSl設計を含む=.) 製造･検査用 チータ作成 1も.ゞ〟ムJr〃 りJl†J 〟(JJ∫7り〃′SdJ∂ lT占ナビ/l∫0ん〟 〃/∫〃∫カタ■〃r=-/んrノ5ム/ 〟Jr/)ガム〆 打〃Jl∂ マイクロフノロ グラム設計 ｢■￣￣￣￣1 注:l ;主に人手 L__._一l

[コー部自動

□主に自動

製造･検査部門 図l _{コンピュータ設計の流れ コンピュータ間発設計の工程を示す｡} 実装設計以降は,ほぼ完全に自動化Lている｡ テム)機能を駆伸している｡ 設計デ【夕べースには,設計鵜準,部描仕様などの設計共 辿デMタと､製占7,ごとの設計｢祁酬肯報から￣軌左･横付り情報 に雫る個別設言｢データを格納している｡ なお,不特定多数の設計者が,任意の時刻に設計デーー夕べ }スを史新,参照するため,ファイル保掛こは十分な機能を もたせている｡ 国

論埋設計支援システム4)

3.1 論王里設計の課題 コンピュータの設計では,論理不良と呼ばれる設計誤りの 摘出過程が開発期間に大きな影響を与える｡ 図3に,時間の経過とともに論理不良が嫡H-1されていく横

丁･をホす-〕曲線①は従来のSSIやMSIを使用したコンビュ

* 日立峯望作巾神奈川丁場 ** 臼､ンニ肘乍竹中火研′究巾 ***[J､ソニ脚乍巾デバイスl桔]ヲ己センタ

論 理 設 計

◆

論 理 回 路 図 (人手スケッチ図)

◆

攣‥昭

タイムシェアリングシステム処理 回 設計自動化トータルシステム 部品･苦り付配置 設計データベース

(蓋ント基板)

∠

設 計 変 更 線 ア _ート ワ ー ク 診 断 デ ー タ 製造･検査データ 生 産 図 面

事●

注:■■

は,論理設計支援システムを示す｡

⊂=コ.は,実装設計自動化システムを示す｡

図2 設計自動化トータルシステム _{+S-,プリント基板及び装置の設計を,同一システム,同一データベースで処理している｡}

ータの開発過程を示す｡曲線(参は同じ規模のコンピュータを

LSIを多用して開発する場合の過程を示す｡すなわち,LSI の作り直しに時間を要するため実機チェックの期間が増大す る｡これを防ぐためには,実機チェック前に不良摘出を十分

に行ない,曲線(卦のようにしなければならない｡

この課題を,次に述べる論理設計支援システムを活用して 解決している｡ 一一寸 ③ ① ② l l I I l r---J---J ト.. l. 実橡チェック 顛 斐 1喝 トら せ 蝶 l _l l l 一 ‡ 一トーー小一ーー⊥---｢

′▼i

l l _l l l l

;言

論理シミュ レーション 机上チェック 論理払拭計完了 検 査尭 了 ① 検 査 完 了 ③ 実機チェック開始 検 時間 査 完 了 ② 図3 開発期間短縮の目標 _{+Slの採用により曲線①が②となるが,} 論理シミュレーションなどを島区便L曲線(卦を実現している｡ 生産管理 システム 製造･検査 自 動 化 システム 新 製 ロ ロロ

⊆柔 ミ.妄箋

論理回路図 (人手スケッチ回)

l

国

F

不良摘出

[

◆

論理入力 論理回路図 横能仕様車

/.

ヰ■◆

〆

設 計 データベース

◆

◆

■l一 一 論王里シミュレーション

去養包

(レーザビームプリンタ出力) 実装設計{日動化システム 図4 _{論理設計支援システム 論理回路図作成及び論理シミュレーシ} ョンの実行をTSS端末(H-9415)とレーザビームプリンタ(H-8195)との組合せ で会話的に行なう｡

CSRQwP GS-P OR 101 V4 GR-P RDSETムP RS 116 V7 RD′･P RD-N コマント名 素子名 論王里シンボル名

11

1

(互)(∋(≡)

2 = GS-P lC V7 116 2 = G R-P 4 = RD-N 素子端子番号 信号名

/

(:D=

/

CSRO-P 3二RDSET-P 1=RDSET-P 3二RD-P 図5 論理回路区lの入力記述例 _{論理回路図(人手スケッチ図)を見な} がら.直接タイムシェアリングシステム端末からタイプインする｡ 4 &･････Ⅶ D5 D4 8穴迅CBSL之-P 【213) GRE只(l′ヰ)-P (2il) G持さCBMl-P く2書ぢ) K‥･3′Rワ G只BCBM2-P く2Z3) K･‥3′Cつ G只BCさM3-P こ2ZS) 米t･･3,C7 G只ERくi′5)-P く2‡ワ)

川

8R 王EtO5 托川 角2 母R IE‡05 NX 82 RBC8SL2-P8 RO28-5Z一っ RBCBSLZ-P斡 RO28-5Z叩4 大形コンピュータの自動設計 3.2 _{システム構成} システムの概要を図4に示す｡システムの構成は三つのサ ブシステムから成り,それらは論理入力,論理回路図及び論 理シミュレーショ _{ンシステムである｡} 論理入力システムを使って,人手スケッチ図をもとに,直 接TS S端末から必要情報をタイプインするr)すなわち,テ ータシートへの転記及びカードパンチ作業を不要としている｡ 図5に論理回路図とタイプインする情報の関連を示す｡素子 単位に素子端子と信号名の対応をタイプインし,素子間の結 合は同--一一信号名を与えることで表現する｡図5に示す例は, 信号RDSET-PがV4とV7の両記述に出てくるが,これによ -)素子V4とV7が結合していることを表わしている｡図面上 の結線経路は自動決定する｡タイプインと同時に,設計基準 照合チェック,記述文法チェックなどの諸子ェックを行ない, その結果をTSSで応答し,-単純な誤㌢)を即時に排除する｡ 論理回路図の機械書きシステムを使って,こ殴新の設計デー タベースの内容を自動描画できる｡図6に,機械書き論理回 路図を示す｡論理設計や実装設計の過程では,刻々設計情報 が設計データベースに付加される｡この内容を,レーザビー

ムプリンタ(15秒/A3判図面)を僚用し,TSS機能により設

計者の指示で即時に出力できる｡このように,TSS端末とレ ーザビームプリンタの組合せで,図形処理と等価な機能を実 現している｡ この即時性及び変更の容易性により,設計データベースが 設計原図となっており,紙による図面管理を不要にした｡ 3,3 _{論理シミュレーション} 論理シミュレーションシステムでは,設計データベースに ある披検証論理装置の論理回路をモデル化し,実機の回路動 ′∩ ‡l D5 RBCBRSELH-P 5‥･4′K? HSRく4】≠PR =1‡) ーFF DO DI CK RさCB穴(0)-1P ROZ8-3之-4 K‥t3′K6

&__曳搾

7王E‡OZ &CX 壬C2 3 2

i

K‥.3′C7 RH愈L王)BCBR-P ‡ ま0 6 0 3 XCXH S‥･3,弼Il RBC王!R(0〕-tN RO28-2Z-2 エE】32 DX

‡RRS

穴028-Oパー7 K=●2,R10 S…2′L8

i

妻

l D4 5 】R エE10勾 PZ む2

i

暮

妻

1

】 - 】 il事 j l 8ヰ … i 妄

蒜仁基…を榊R

‡;…拙姜

餅‡4

lli

い3t

DS S一‥･′D9 凍PZ2 l王 R 角 角 6 FF DO 8】 CK 0 ニE‡32 DX R E5 15 +RBCB只(lトtP RO28-3Z-7 KI‥3′K6 14 RBC8R=)一暮N RO28-1H-2 K●I･ZJD‡0 GR3CBS之ER母サP 亡】29) Kt=3′R7 RBC8SかRR-P角 51･I3∫B2 ､八QR18PB-P-おヰ

…

事

か‡2

l

L

5

ト

パ雫守ぎき王￣PR

フ & i2 9 基 D】3 王E】85 穴Z15 GZ R ₃ H合R LまPZ3 RO28-3Z-5 D6 '7 _エE‡0ヰ 図6 機械書き論理回路図 最新の設計データベースの内容を,レーザビームプリンタで即時出力する｡

信号波形 表示コード l l l l l し--- _{J }＼---Y-} J _} E スペース ー 3 図7 論理シミュレーション結果の表示例 指定した信号の波形をTSS端末で見ることができる｡16進のコード化により.表示密度を4倍にLている｡ 表l 論理シミュレーションの対象レ/ヾル LSl単体から装置へと対象レベルが移行する｡ 設計の進度に応じて, レ ベ ノレ _LSt 単体 論‡里ユニット 装 置 l 規 模 _{､数千ゲート -､数万ゲート ､一致十万ケI一卜} 論理記述 ケ､一トレーヾル,機能レベル 包含する 接煮売イ士様 他ユニット マイクロプログラム 周辺装置メモリ テストデータ タイムチャート マイクロプログラム 検査プログラム 小規模プログラム (命令レ/くル) 作と同じように模ヰ疑的に動作させ,各素十の任意の時刻での 状態を計算する｡ 大形コンピュータでは,設計進度にJ心じて刈一家レベルは表 1に示すように規模的に拡人する｡処理のスピードアップ及 び被検証論理回路の周辺の=按続仕様も包含して動作確認する ために,恍古巨レ/ヾルの論理記述,論理シミュレーションを併 用している｡取り扱う規校は最大75ソノゲー,卜,処理辿J空は口 立汁L梢コンピュータHITAC _{M-180で､毎秒28,000仁言号変化} を計算でき,二れは実機速J空の10￣7倍に相当する｡また,本 システムもタイムシェアリングシステムで処理起動及び結果 の参照ができる｡図7は,シミュレーション結氷を信号i度形 形J℃でタイムシェアリングシステム端末に表示Lた例をホす ものである｡作意のイ￣請号了洋に対して,任意の時刻の波形をチ ェックすることができる｡ なお,二のほか信号線の配線土主や負荷数などに起l人1するイ言 号伝搬遅れ時日与】を,詳細に計算する機能も併用している｡ これらのシステムを駆使し,論三曙設計の品質を確認した後､ 次の実装設F汁へと椎る｡ 口

_{実装設計自動化システム(+Sい基板)}

論理設計f貨ド皆で時刑をかけ論押.汀一質を十分上げた後,実装 設計が｢をトほ台される｡したがって,実装設計は知其別朴二行なう 必要があI),ほとんどの機能を日動化している｡ 図2に示すように,LSIと基板は同一-･の設計データベース 外部端子番号割当て セル･部品割付け セ _ル･部 品 配 置 抵抗 ピ ン 割 当 て 配 線 層 割 付 け 配 線 順 序 決 定 ;昆 雑 度 平 準 化 一 筆 書 き 配 線 分 岐 配 綿 途 中 分 岐 配 線 物理･過不足チェック 設計基準チェ _ック 消費電力最少化(LSl) 個別布綿(ハツケージ) 区18 実装設計の自動化機能 _{+S】及びプリント基板の設計に対Lて,} 広範囲の自動化機能がある｡

大形コンピュータの自動設計 〔 〔 しlや いい ,l 別 ¶ U如 く･吋 ◆∵;亨=F ′ 図9 パッケージの配線パターン図 論理2層分を示す｡×-Yプロッタで自動製画Lたものである｡ 4.1 _{配置･配線設計} 実装設計の主な作業は,部品の割付配置及び部品端十問の 配線パターンの決定である｡ 図8に,LSI及び基枇で自動化されてしゝる主な機能を示す｡ 部品割付配帯システムでは,次の配線工程の自動化率が卜 がるよう,セル(LSIの場合)･部-†い韮根の場介)の割イ￣i憎己置 だけでなく,外部端-￣｢,抵抗ピンなども自動制当てする｡ 用己練システムは,信号線を桟板のどの屑に湖l)付けるかを 決定し,設計其準に応じて _{一筆吉き,分岐,途中分l岐などの} 配線形式をう選択し,それを満たす円己線径路を自動決左する｡⊃ その白動決定率は,LSI,基枇ともほぼ100ヲ`である｡図9 は,某板(パッケージ)の配線パターンをⅩ-Yプロッタで自動 製画したものである｡ 以__Lのほかに,堪板では顧客特別仕様による論理の改造に 伴い,配線パターンの切断,個別布綿の追加指示なども日動 的に製造部門に指示する｡ 4.2 診断データ作成 診断データは,製造不良を摘出L製品の信頼度を確保する ためのものである｡LSI,バッケmジ放び装帯の各レベルで, 表2に示す検査項臼によリテストを行なう｡いずれのレ/ヾル の場fナも,図10にホす処理手順で診断データを日動作成する｡ 故障仮定では,製造不良･部品不良を予測L,考え得るすべ ての故障回路を定義する｡テストパターン発生では,一つの 故障回路に対して,故障のない正常回路と識別できるテスト パタ”ンを発生する｡故障シミュレーションでは,すべての 故障回路に対し,そのテストパターンで正常凶路と.識別可能 となるi牧障回路を調べる｡識別不可能だった故障匝1路につい ては,テストパタ”ン発生にもどり同様のことを繰り返す｡ LSIでは特に高品質な診断デMタが要求される｡その日勧化 率は95∼100%であり,100%に満たないものは,人手でテス トパターンの追加を行なっている｡また各レベルで故障辞書 を作成し,故障位置指摘の効率を上げている｡更に,LSIで n U列 ¶ 由 れ じ引 ▼1 51 可 ¶ い幻 は信号伝搬遅れ時間を測定する径路を決定するとともに,詳 細な遅れ時間を計算し厳密な動作速度を検査するAC(時間 特性)データも自動作成する｡ 大規模論理に対しては,診断しやすい論理構造を論理設計 段階から考慮することにより,数百∼数丁-ゲート柑度の小規 模論理に分て判Lて処〕理する回路分割法も併用している｡ 以上述べた実装設計の自動化のほか,設計検討用の各柿間 面,′-ト床用の各7托デ)一夕を日動作成する｡ 田

製造･検査自動化システムへのつなぎ

部占占の高密度化,高集積化により,コンピュータを人手で 製造,検尭することは技術的に困難である｡図11に示すよう 表2 _{LSl,パッケージ及び装置の検査項目} 検査対象に応じた各 種診断データで製品の高信頼性を確認Lている｡ レ/ヾノレ 検査の種矩 区分 】 検査対象 L S l 特 性 イ直 DC _{直流電流･電圧} 論王里機能 DC 配線パターンのショート･断線 回路の論理機能の損傷 AC 内部の特性異常,終端抵抗ぬけ 配線パターン幅の異常細線 動作速度 AC 特定ルートの信号伝搬遅延時間 立上り･立下り /ヽ ツ ケ l ジ 導 通 DC 配線パターンのショート･断線 誤配線 論‡里機能 DC 部品の誤取付け･言呉配線 部品の論玉里機能の損傷 装 置 論理1幾能 DC ユニット問誤接続 パッケージの論王望楼能の損傷 AC 動作速度確認 う主:略語説明 _{DC(直)充レベル),AC(時間特性)}

にLSI,基根(パッケージ,プラッタ)などの各生産工程に対 し､各種自動製造機･自動検査機を配備し,製品の高信頼度 故 障 仮 定 テストパターン発生 故障シミュレーション 未 処 理 故 障 なし 故 障 辞 書 作 成 AC測定パス決定 信号遅延時間計算

◆

DC(直流レベル)データ AC(時間特性)データ あり 図10 _{診断データの自動作成手順 最新の自動化技術を使用L,高品} 質の診断データを作成する｡ 設 計 自 動 化 シ ス テ を維持している｡ これらの各椎自動機を含む生産ラインに対し,設計自動化 システムから技術情報が,また生産管理システムから管理情 報が,オンライン,磁気テープ,フロッピディスクなどを媒 体として供給され,設計から■製造,検査に至る一貫したシス テムとなっている｡ B

結

言 以_上述べたシステムを駆使して,日立汎用大形コンピュー タHITAC _{M-200Hをはじめ,大形コンピュータの自動設計} を推進し,製品の高性能･高信頼性の確保,開発期間の短縮, 先端技術の早期適用などの効果を上げている｡ 今後,超LSI時代を本格的に迎えるに当たり,半導体の技 術進歩を先取りしたコンピュータの自動設計を促進し,開発 力のいっそうの強化と製品の信締度向上に努力してゆきたい と考える｡ 平素から自動設計の推進に当たって,適切な御指導,御協 力をし､ただいている関係各位に対し,深く謝意を表わす次第 である｡ 参考文献 1)柴駄 外:鼓近のコンビュ【タ技術の動向,日立評論,6l, 835∼840(昭54-12) 2)大矢,外:コンビュ【タ用超LSI,日立評論,6l,847∼850 (昭54-12)

3)H･Horikoshiet _al∴An Example _of LSトOri｡nted

LogicImplementationIn _{a Large-Scale Computer,} The HITAC M-200H,Proceedings _{of,80 COMPCON.}

(1980)

4)Y･Ohno et _al･:Logic Verification _of Very Large

Computers Using LSI's,IEEE Proc.of16th DA

Conf.(1979) 産 管 王里 シ ス テ 造 製 _{根 査 自} 動 化 シ ス テ ム

上州

凸由h

(しS-) (パッケージ) ヘプラッタ)

【州

′■■￣￣￣￣￣￣｢ ヽJ ヽ_ノ ′￣■￣■ヽ ヽ_ J ′ ｢ ′｢ ′￣｢ 基板マスク --◆ 裁 断

凸

→

頂

内層焼付 積層ほか -◆ 組 立

凸

■◆ →

且

表酢

｢

並

LS【

凸

外層焼付 エッチング

パッケージと矧以工程一一---一斗

J

パッケージ

￠

11 Ill コネクタ 取付け

●′l

丑

■■lト

鬱

総組立 ケーブルほか

価

コンピュータシステム (製 品) 図Il製造･検査自動化システム _{各種自動機に対L,技術情報と管王里情報が同期化Lて供給される｡}