Гравитационного излучения

JTAG-интерфейс и метод граничного сканирования..................................266

Команды граничного сканирования..............................................................273

Кроме того, разные производители включают в состав средств для счета вентилей разные ресурсы. Могут быть включены или не включены в этот состав буферные элементы, схемы граничного сканирования по интерфейсу JTAG, дополнительные схемы быстродействующих декодеров и т. д. Понятно, что это тоже вносит разночтения в приводимые оценки.

изготовителем, таблицы емкостей и сопротивлений действительных соединений передаются разработчику и используются им для определения ожидаемых фактических временных параметров прибора. Одновременно с работой над собственно проектом, заказчик и изготовитель подготавливают тестовые процедуры для проверки доводочных модификаций и готовых изделий. К доводочным испытаниям прибегают после вставок элементов граничного сканирования JTAG/SCAN, выполнения оптимизации размещения In-Place Optimization (IPO), а также после выполнения процедуры балансировки времен синхронизации (ВСТ) отдельных фрагментов. Только после получения удовлетворительных результатов моделирования, произведенных заказчиком, фирма-изготовитель приступает к выпуску масок и подложек. Тестовые программы разрабатываются заказчиком и изготовителем совместно на базе САПР и тестируются на прототипах перед их окончательной сдачей.

Рассмотренные этапы проектирования серьезно тормозят появление на рынке новой продукции, поэтому современные идеи, методы, элементная база и отладочный инструментарий направлены на форсирование работ на $тих этапах. Элементы — это схемы с конфигурируемой структурой и "системы на кристалле", уже рассмотренные в гл. 1. Идеи — различные варианты расширения возможностей JTAG-интерфейса, граничного сканирования, Методы со-проектирования и со-верификации. Отладочный инструментарий — различные виды программного обеспечения, позволяющие оценить интересующие характеристики системы, создать аппаратуру, имеющую упрощенные процедуры ее тестирования, библиотеки и методики, ориентированные на современные методы тестирования, различные типы оценочных и ^отладочных плат.

Современные системы оказываются исключительно сложными, например, телекоммуникационные и сетевые приложения требуют разработки плат с числом внутренних соединений более 5 тысяч. Такое количество цепей на одной печатной подложке кладет практический предел для применения коммерческого автоматизированного оборудования Automatic Test Equipment (ATE). Методы граничного сканирования, рассматриваемые ниже, позволяют вводить практически неограниченное количество виртуальных тестовых каналов и, тем самым, снимают указанную проблему.

плотный монтаж многоконтактных БИС, должен опираться в своих проектах на методологию граничного сканирования.

Многие плюсы граничного сканирования могут быть использованы даже в тех случаях, когда только одна БИС на проектируемой плате поддерживает граничное сканирование. Однако наибольшая эффективность процедур тестирования, базирующихся на методах граничного сканирования, достигается в случаях, когда большинство приборов на плате объединены в единую сканируемую цепочку.

JTAG-интерфейс и метод граничного сканирования

Предложенный стандарт имел два различных аспекта. Один состоял в разработке протокола и принципов обмена информацией между БИС, соединенными в последовательную цепочку. В дальнейшем для определения этого аспекта стандарта будем пользоваться термином "транспортный механизм". А другой — в специальной (ориентированной на тестирование) организации связи между основными схемами кристалла БИС и ее внешними контактами. Такая организация этой связи позволяет передавать значения сигналов на выходных контактах в транспортный механизм цепочки и наоборот. Это дает возможность использовать границы БИС для задач тестирования их межсоединений без физического доступа к каждому ее выводу. Такой подход получил название метода граничного сканирования (Boundary Scan Testing, BST). Термин "граничное сканирование" представляется более точно соответствующим задаче сканирования состояния границы между основными элементами БИС и оборудованием, расположенным вне БИС, чем используемый иногда термин "периферийное сканирование".

Рассмотрим более детально идеи метода граничного сканирования. На 2.35 схематически показан вариант подачи стимулов и снятия реакций с "виртуальных" щупов, которые находятся на границах кристалла и конструктивно входят в состав БИС.

Основная цель этой книги заключается в рассмотрении физических характеристик шумов в ряде устройств на твердом теле. Обсуждаются также шумы в некоторых нелинейных системах, например в параметрическом усилителе и генераторе ван-дер-Поля; исследуется выделение сигнала из шума в связи с вопросами обнаружения гравитационного излучения.

тов в детекторах гравитационного излучения (гл. 13). Именно в этих устройствах чрезвычайно важную роль играет совершенство системы регистрации сигнала, требующей тщательнейшего исполнения, чтобы достичь уникальной чувствительности. Применение здесь сквидов естественно и оправданно.

Детекторы гравитационного излучения

Общая теория относительности Эйнштейна [10] предсказыва-вает, что массы, совершающие ускоренное движение, излучают гравитационные волны, распространяющиеся со скоростью света. Согласно теории, гравитационное поле в любой точке описывается тензором, поэтому потенциал задается десятью числами, (Существуют теории, альтернативные тензорной, например теория Бранса — Дике [5], являющаяся модификацией теории Эйнштейна. Она предсказывает существование смешанного скаляр-но-тензорного излучения. Однако, поскольку в настоящей главе обсуждаются вопросы детектирования гравитационных волн,, различие между типами гравитационного излучения является несущественным.) В отличие от электромагнитных волн, которые генерируются дипольными источниками, наинизшим массовым мультиполем, который может генерировать гравитационное излучение, является квадруполь. Излучение представляет собой распространяющееся изменение кривизны пространства — времени. Генерируемое высокоэнергетическими космическими источниками, подобно волнам на поверхности моря, оно движется во Вселенной. Источниками гравитационного излучения могут являться коллапсы звезд, рождение сверхновых, пульсары, соударения черных дыр и быстро вращающиеся двойные звезды.

Периодические решения уравнений гравитационного поля были получены Эйнштейном в 1915 г. Они представляют собой теоретическое доказательство существования гравитационного излучения. В то время даже не ставился вопрос о том, чтобы попытаться детектировать гравитационное излучение и, таким образом, проверить теорию, потому что не существовало способа провести чрезвычайно сложный эксперимент и обеспечить чувствительность, достаточную для регистрации предельно малых потоков энергии, предсказываемых теорией. Только в 1958 г. были предприняты первые попытки создать детектор гравитационного излучения. Первооткрывателем в этой области стал Джозеф Вебер, сконструировавший антенну для регистрации гравитационных волн, которую сейчас называют «веберовской болванкой». Вебер приложил много усилий, чтобы изолировать свои детекторы от воздействия паразитных акустических, элект-

Детекторы гравитационного излучения 333

ромагнитных и сейсмических сигналов, кроме того, он применил метод регистрации совпадений на двух детекторах, причем один находился в университете Мэриленда, другой — в Аргоннской национальной лаборатории близ Чикаго, оба были удалены друг от друга на расстояние 1000 км. Это было сделано для того, чтобы минимизировать влияние локальных шумов на каждый де~ тектор. Через десять лет после начала своих исследований Ве-бер опубликовал серию статей, в которых он доложил об одновременном наблюдении импульсных сигналов на обоих детекторах [26, 27]. Он приписал их воздействию гравитационного излучения, генерируемого внеземным источником. Он также обнаружил, что частота появления импульсов изменяется в зависимости от времени суток. В течение нескольких месяцев он регистрировал частоту появления событий в зависимости от звездного времени (это время измеряется относительно неподвижных звезд и отличается от солнечного примерно на 4 мин в день) и обнаружил пики с 12-часовым интервалом. Наличие таких пиков можно объяснить, учитывая направленность отклика детектора. Он максимален, когда сигнал приходит со стороны боковой поверхности детектора, и минимален, когда сигнал приходит в аксиальном направлении. Поскольку детекторы (их оси в экспериментах Вебера были ориентированы в направлении запад — восток) вращаются вместе с Землей, которая прозрачна для гравитационного излучения, 12-часовая периодичность в-их откликах могла бы возникнуть, если бы существовало выделенное направление прихода излучения. Согласно Веберу, он наблюдал сигналы, приходящие из центра Галактики или, возможно, из противоположного направления, в котором, кстати,, расположена Крабовидная туманность.

вод приводит к очевидным трудностям. Их можно обойти, предположив, что мы живем в привилегированное время, когда галактический центр необычайно активен в смысле генерации гравитационного излучения или что Земля находится в привилегированном пространственном расположении близко к локальному источнику гравитационного излучения. Существует мало убедительных доказательств в пользу любой из этих гипотез.

Утверждения Вебера вызвали значительный интерес как среди теоретиков, так и экспериментаторов. Они заставили около десяти научных групп во всем мире начать поиск гравитационного излучения с целью подтверждения наблюдений Вебера. Независимая проверка не подтвердила его результаты, и даже теперь, спустя более чем десятилетие, веберовские сигналы остается необъясненными. Но какова бы ни была их природа, общепризнано, что они обусловлены не гравитационным излучением. Тем не менее важно подчеркнуть, что основополагающие работы Вебера открыли новую область исследований в астрономии, и, как результат, в настоящее время созданы гораздо более чувствительные детекторы гравитационных волн, чем первая веберовская антенна. Чувствительность этих новых детекторов приближается к той, которая необходима, чтобы обнаружить сигналы, уровень которых следует из теоретических оценок. Та-жим образом, вполне возможно, что в недалеком будущем гравитационное излучение будет зафиксировано вполне однозначно, -подтвердив таким образом предсказание Эйнштейна.

Гравитационное и электромагнитное излучения имеют некоторые общие черты. Однако если электромагнитные волны взаимодействуют только с электрическими зарядами или токами, то гравитационные волны взаимодействуют со всеми формами энергии или материи. Чувствительность детектора гравитационных волн определяется его массой и размером, причем предпочтительно использовать в качестве антенны наибольшие из доступных твердых тел. Наиболее массивным объектом, имеющимся в распоряжении человека, является сама Земля, и она серьезно рассматривалась как возможный детектор гравитационных волн. Гравитационная волна, проходящая через Землю, возбуждает квадрупольные моды колебаний с собственными частотами, составляющими примерно несколько колебаний в час. Из анализа сейсмограмм земной активности Вебер [25] установил верхний предел потока энергии гравитационного излучения, падающего на Землю. Он оказался равным 3-Ю4 Вт-м'^Гц"1 на час-

__________________Детекторы гравитационного излучения_________________335»