Исследование и моделирование процессов накопления, обработки и анализа массивов технологических данных в области микроэлектроники

Актуальность темы

:

В современном мире, где продолжается стремительное развитие вычислительной техники и средств коммуникации, все большее внимание уделяется работе с информацией. Число и сложность задач информационного обеспечения постоянно возрастают. Происходит интенсивный рост объемов обрабатываемой информации и привлечение автоматических систем к решению информационных задач. Системы обработки информации (СОД) постоянно совершенствуются из-за растущих запросов пользователей, вычислительной техники, используемых ресурсов. Меняются требования не только к функциональности и возможностям СОД, но и к динамике их и изменений. Результат этого — увеличение числа различных СОД, систем управления, становящихся все более сложными комплексами аппаратных и программных средств.

Использовавшиеся ранее СОД не могут удовлетворить растущие потребности. Часть трудностей обязана тому, что традиционные способы переработки совершенно несостоятельны в вопросе анализа больших объемов данных. Современные аппаратные средства позволяют обычной организации накапливать колоссальные количества относящихся к ее деятельности данных, однако реально это делает ничтожно малая часть из них, и не только по той причине, что это дорого стоит, но главным образом из-за того, что просто не понятно, для чего и как это делать. Даже если перевести каким-нибудь образом накопленные данные в графики, то результат, по элементарной причине его объема, будет недоступен для восприятия человеком. Широко распространенные средства «деловой графики», электронных таблиц и пр. дают человеку возможность воспринимать гораздо больше информации, чем практиковавшиеся до них таблицы названий и цифр, но для объемов данных, разрешаемых уже сейчас аппаратной технологией, они не годятся.

Другая часть трудностей связана с тем, что в системы обработки информации, использовавшиеся ранее, не входят СГТПР, так как еще до недавнего прошлого большое распространение получили системы, ориентированные исключительно на оперативную обработку данных. Однако за последние два-три года ситуация существенно изменилась. И это непосредственно связано с тем, что практически в любой организации сложилась следующая ситуация: информация существует, но она не структурирована, не согласована, разрознена, не всегда достоверна, ее практически невозможно найти и получить в нужное время. Накопленные данные зачастую содержатся в базах данных разных форматов, а интегрировать одну базу в другую не представляется возможным.

Анализировать информацию и генерировать отчеты непосредственно в операционных информационных системах практически невозможно:

• во-первых, из-за рассредоточенности сведений по различным источникам;

• во-вторых, из-за вероятного снижения производительности в оперативной информационной системе.

Именно на разрешение этого противоречия — отсутствие информации при наличии и даже ее избытке — и нацелена концепция хранилищ данных (Data Warehouse). Хранилище данных (ХД) — это набор организованных решений, программных и аппаратных средств для тиражирования и анализа данных. Основная цель ХД — создание единого логического представления данных, содержащихся в разнотипных баз данных (БД), или, другими словами, единой модели данных.

Кроме структурирования данных ХД позволяет решить проблему разнородности входных данных. Одним из основополагающих принципов при построении информационных систем (ИС) является единство представления данных. Перевод данных в единых формат при построении ИС занимает большое количество временных и трудовых ресурсов. ХД позволяет сохранять формат данных в том виде, в котором данные были занесены в базы данных первоначально.

Следует отметить, что готовых СОД на основе ХД технологического назначения (ХД ТН) в настоящее время не существует, но возможно их создание на основе применения и модернизации имеющихся систем.

Проблема, решению которой посвящена эта работа, может быть сформулирована как: отсутствие прикладных методов построения больших ИС, позволяющих одновременно учитывать административные, информационные, инструментальные и физические аспекты функционирования сложных многопрофильных объектов, учитывая сложившееся информационное пространство и существующую иерархию.

Целью данной работы являются.

Исследование и моделирование процессов накопления, анализа и обработки массивов технологических данных на основе хранилищ данных, разработка прикладных методов логического проектирования ХД и проектирование архитектуры ХД технологического назначения для микроэлектроники на основе контуров инвариантных к фирменным архитектурам разработки ХД.

Для достижения поставленной цели е диссертационной работе необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать метод проектирования ХД на основе комплементарных графовых моделей разных уровней представления.

2. Определить алгоритм построения развивающихся систем, учитывая изменения стоимости технических средств, средств коммутации и технических характеристик составляющих ХД.

3. Разработать модель архитектуры системы с описанием входящих в него контуров с их функциональным назначением и утилитами, требуемыми для корректной и эффективно работы системы в целом.

4. Разработать модель комплекса обработки технологических данных с использованием виртуальных контуров.

5. Разработать и исследовать метод моделирования и анализа спроектированной архитектуры комплекса обработки технологических данных.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались общая теория систем, методы моделирования сложных систем, теория информационных систем и баз данных, методы структурного моделирования, теория множеств и теория графов.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Разработана и обоснована универсальная модель архитектура хранилища данных технологического назначения на основе технологии виртуальных контуров.

2. Предложен и исследован метод функционального моделирования и анализа сложных технологических систем на основе альтернативной нотации ОБО-диаграмм.

3. Создана и исследована математическая модель задачи проектирования итеративно развивающегося хранилища технологических данных, учитывающая изменения в финансировании создаваемой системы, стоимости технических средств, средств коммутации и технических характеристик составляющих ХД.

4. Предложен, разработан и апробирован метод логического проектирования основанный на комплементарных графовых моделях.

10 разных уровней представления, инвариантный к фирменным архитектурам построения ХД.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Алгоритм практического проектирования хранилища данных на основе трех уровней представления, применимого для описания и разработки технологических процессов микроэлектроники.

2. Модель архитектуры комплекса обработки технологических данных, на основе технологии виртуальных контуров.

3. Математическая модель динамической задачи проектирования итеративного хранилища данных технологического назначения.

4. Метод функционального моделирования и анализа сложных технологических систем на основе альтернативной нотации ОРО-диаграмм.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

В работе предложен комплекс методов, алгоритмов и моделей, позволяющий упростить облегчить и унифицировать проектирование и разработку хранилищ данных технологического назначения.

Использование созданных методов логического проектирования ХД ТН позволяет рассматривать отдельные уровни представления с разной степенью детализации, выделять «узкие» места и корректировать их на любом этапе проектирования и/или реализации системы.

Реализация и внедрение результатов работы:

Научные результаты, изложенные в диссертации, реализованы автором в ходе участия в выполнении госбюджетных НИР:

1. № 1.1517.96 Б, Москва, 1999 «Разработка научных основ и принципов построения баз технологических данных и знаний и для информационных и экспертных систем управления качеством».

2. № 1443, Москва, 2000 «Исследование и разработка методов построения и интеграции комплексных информационно-измерительных систем» Полученные в работе научные результаты внедрены в практику научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ Научно-исследовательского института точных приборов (НИИТП). Применение разработанных методов проектирования ХД ТН позволило на 30−35% сократить трудовые и материальные затраты за счет:

• использования типовых проектных решений определенных базовой структурой и логикой построения;

• рационализации структуры ХД в ходе ее построения за счет поэтапного проектирования на базе существующих систем, исключая на каждом этапе избыточные элементы;

• снижение уровня неустранимых на ранних этапах проектирования ошибок.

Акты внедрения приведены в ПРИЛОЖЕНИИ 1 диссертации. Апробация работы:

Основные результаты работы докладывались на следующих научно-технических конференциях:

Научно-техническая конференция «XXIII Гагаринские чтения' 97». Москва, 8−12 апреля 1997 гII Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция «Электроника и информатика-97», Зеленоград, октябрь 1997 гНаучно-техническая конференция «XXIII Гагаринские чтения' 98». Москва, 8−12 апреля 1998 гXXII Конференция молодых ученых механико-математического факультета МГУ, Москва, 17−21 апреля 2000 гМеждународная конференция HCHTY-2000;IS&ITC «Intelligent Systems and Information Technologies in Control», Псков, 19−23 июня 2000; Международная научно-техническая конференция «Информационные технологии в образовании, технике и медицине», Волгоград, 19−21 сентября 2000; Седьмая национальная конференция по искусственному интеллекту КИИ-2000 (с международным участием), Переславль-Залесский, 23−28 октября 2000; Международная научно-техническая конференция «Информационные системы и технологии», Новосибирск, 8−11 ноября 2000; Всероссийская научно-техническая конференция «Новые материалы и технологии НМТ-2000», Москва, 24−25 октября 2000; Межвузовская электронная научно-техническая конференция «Управляющие и вычислительные системы. Новые технологии», Вологда, 2001.

Публикации:

По материалам и результатам диссертации опубликованы 11 статей, докладов и тезисов, 2 отчета по НИР.

Структура и объем диссертации

:

Диссертация состоит из списка сокращений, введения, 4 глав, заключения и приложений, изложенных настраницах, а также списка литературы из.

111 наименований.

Содержание работы:

Во введении обосновывается актуальность темы, формулируется цель и задачи исследования, отмечаются полученные в работе новые научные результаты, их практическая ценность, реализация, апробация и структура диссертации.

В первой главе ставится задача освоения ХД ТН и определяется цель работы и задачи, которые требуется решить для достижения поставленной цели.

Определяются характерные признаки ИС со сложной структурой и исследуются теоретические основы, концепции и понятия технологии и средств реализации перспективных исследований и методов реализации передовых информационных технологий для СОД ТН на основе ХД.

Далее определяются особенности, специфика назначения, диапазон применения и характеристика требования и функций СОД в области микроэлектронной (МЭ) технологии. Учет указанных особенностей и определяет специфические критерии при выборе соответствующих модулей для создания СОД, отвечающих указанным требованиям. Отмечается, что формирования СОД ТН является сложным процессом, так как технологии, которые формируются с помощью СОД, в настоящее время все более усложняются.

В первой главе также предлагается структура СОД, включающую в себя СППР как подсистему. Делается вывод, что при построении СОД ТН следует учитывает ее распределенных характер и возможность принятия групповых решений, то есть решений, принимаемых несколькими конструкторами или даже несколькими группами конструкторов по одному вопросу.

В этой главе также рассматриваются существующие фирменные архитектуры ХД и определяется, что фирменные архитектуры построения ХД не конкурируют друг с другом, а скорее адресованы разным сегментам рынка. Делается вывод, что при создании корпоративной ИС на основе ХД возможно ее модульное построение с использованием программного обеспечения различных фирм. Такое решение может наиболее полно учесть специфику конкретной организации, ее потребности, финансовые возможности, наличие квалифицированных специалистов по работе с продуктами. Во всех случаях необходим защищенный доступ к информации с введением прав на чтение, дополнение, изменение данных и их перемещение в архив.

Вторая глава посвящена анализу и разработке основных моделей и принципов построения СОД ТН на основе ХД.

Указывается, что при проектировании СОД больших технологических массивов следует разделить систему на три уровня представления:

• Административный уровень;

• Информационно-инструментальный уровень;

• Физический уровень.

То есть в общем случае система представляется как: к=1 где ]к — определенный уровень представления системы.

Следовательно, делается вывод, что при проектировании ИС предприятия со сложной структурой нужно учитывать существующую иерархию административного уровня предприятия, отразить различные аспекты требований к ИС, увязать три уровня представления, выделить «узкие места» на всех уровнях представления.

Определяется, что моделирование СОД на основе ХД следует проводить с учетом разделения строящейся системы на три уровня и что уровни представления ХД взаимодействуют между собой, а графовые модели С-(Е, Р^, на основе которых будут строиться модели, позволяют отработать каждый уровень представления ХД в системе с любой степенью детализации. Степень детализации можно определить удобством работы проектировщиков и в зависимости от конкретных целей и задач. Для каждого уровня представления, определяется графовая модель и особенности построения этой модели.

Далее во второй главе определяется общий алгоритм создания развивающихся во времени ХД. Это позволяет проектировать архитектуру системы ХД, учитывая изменения во времени экономического, технического и др. порядка: изменения в финансировании создаваемой системыизменения в потребности информационно-вычислительных ресурсов (ИВР) — изменения стоимости технических средств и средств коммутацииизменения технических характеристик составляющих системы (компьютеры, каналы связи, дополнительное оборудование др.) и т. д.

Третья глава посвящена проектированию комплекса обработки и анализа массивов технологических данных на основе ХД, который предназначен для организации и проведения отработки конструкторской документации на технологичность, технологической подготовки и сопровождения производства в процессе разработки и создания оригинального изделия, выбора оптимальных конструктивно-технологических решений при назначении директивных технологических процессов (ТП) для элементов перспективных разработок, автоматизации разработки технологической нормативной документации, оптимизации планирования производства и оценки экономических показателей ТП путем автоматизации трудоемких расчетов по формированию конструкторско-технологических нормативных БД.

Предлагается исследовать возможность построения КОТД на основе виртуальных контуров (ВК).

Определяются основные проблемы и задачи при работе комплексов на основе ВК. Отмечается, что основа современного информационного комплекса для технологического предприятия заключается в постоянной реорганизации алгоритмов создания виртуальных систем. Чем больше возникает разнообразных виртуальных систем и связей, тем больше появляется аналогов, по которым технологический комплекс может самообучаться и самомоделироваться, что является главной основой для создания интеллектуального производства.

Далее в этой главе моделируется работа системы на основе ВК с помощью альтернативной нотации ЭРБ-диаграмм.

В четвертой главе, для практической реализации методов, алгоритмов и моделей, определенных в главах 2 и 3, и спроектированной архитектуры КОТД.

ТН разработан макет-прототип программной системы. Разработка функционально полного ХД невозможна из-за высокой стоимости проекта, поэтому разрабатываемый КОТД является витриной данных (ВД) — небольшим хранилищем, обеспечивающим потребности одного из подразделений или одного из направлений. ВД не требует, хотя и не исключает, наличие корпоративного ХД, охватывающего сразу все аспекты жизнедеятельности организации.

Для этого произведен выбор программного продукта для построения ВД и сделано заключение, интегрированный комплект базовых программных продуктов Sybase имеет полностью отвечает предъявленным требованиям для решения всех задач, связанных с их созданием, управлением и развитием ХД.

Далее рассматривается функциональная структура программных модулей КОТД, ее практическая реализация.

В конце главы анализируются полученные результаты опытно-промышленной эксплуатации и показывается технико-экономический эффект от внедрения КОТД.

Заключение

содержит основные выводы по настоящей диссертации.

4.4 Выводы по главе 4.

1. На основании изложенных в главе 2 и главе 3 результатов исследований и моделирования разработан макет структуры информационного и программного обеспечения КОТД на базе продуктов компании Sybase.

2. Определен и обоснован выбор программных модулей для реализации предложенной архитектуры КОТД.

3. С помощью метода экспертной оценки проанализирован КОТД и сделаны.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В ходе настоящей работы проанализированы и решены следующие вопросы и задачи:

1. Рассмотрена и обоснована структура и основные принципы функционирования ХД ТН, используемых в предметной области микроэлектроники.

2. Предложен и разработан метод логического проектирования развивающихся систем, основанный на комплементарных графовых моделях разных уровней представления, инвариантный к фирменным архитектурам ХД.

3. Предложен и разработан метод функционального моделирования и анализа сложных технологических систем на основе альтернативной нотации БРО-диаграмм.

4. Предложена, разработана и реализована математическая модель задачи проектирования итеративно развивающегося хранилища технологических данных, учитывающая изменения в финансировании создаваемой системы, стоимости технических средств, средств коммутации и технических характеристик составляющих ХД.

5. Разработана и реализована универсальная модель архитектуры комплекса обработки и анализа технологических данных, на основе технологии виртуальных контуров. Проведена апробация и верификация модели на макете-прототипе.