Įterptinės sistemos ir fizika (2)

IMG 7621 web

Pabaiga, pradžia Nr. 11

Net ir prietaisams reikia akių ir ausų

Tarkime, skaitmeninis fotoaparatas ar išmanusis telefonas, kurie prikaišioti įvairių įterptinių sistemų, taip ir lieka nepanaudotų galimybių aparatais, savotiškomis „juodomis dėžėmis“, jeigu nesi įsisavinęs visų jų galimybių?

M. Viliūnas. Jūsų fotoaparatas turi ir tokių funkcijų, kurios padeda padaryti geras nuotraukas ir neklausdamos Jūsų leidimo. O ar aktyvios pagalbinės funkcijos patogios ir intuityviai suprantamos, priklauso nuo projektuotojų lygio. Jūsų paminėto tipo prietaisuose vienas svarbiausių, kartais net lemiamas, įterptinės sistemos komponentas – vartotojo sąsaja. Sutaupyti pinigai kuriant vartotojo sąsają vėliau atsiliepia tik iš dalies panaudotomis prietaiso funkcijomis. Todėl dažnai, nesivarginant kurti geros vartotojo sąsajos, didelė dalis valdymo išsyk atiduodama automatikai.

Dabar įterptinės sistemos padengia kone visą mūsų gyvenimą. Daug kur jos jau įprastos, bet yra sričių, kur jų panaudojimas dar nėra įprastas. Kartais net sunku pasakyti, ar prietaisas turi įterptinę sistemą. Tarkime, gręžtuvas. Galima reguliuoti jo galią ir tai daroma reguliatoriumi. Jeigu pamatuojamas dar ir sukimo momentas, sukimosi greitis ir pagal tai parenkamas darbo režimas – tai jau gali būti įterptinės sistemos „nuopelnas“. Sutaupoma daugiau energijos, grąžtas ilgiau tarnauja, taigi įgyjame įvairių darbo su įrankiu privalumų.

Ko reikia, kad tokia įterptinė sistema patikimai veiktų? Veikiausiai grįžtamojo ryšio su darbo eiga, vadinasi, atitinkamo jutiklio ir gal ne vieno?

M. Viliūnas. Reikia „akių“ ir „ausų“: jeigu nematysime ir negirdėsime aplinkos, tai nebus pagal ką reguliuoti. Ko gero vienintelė išimtis – laikmatis (taimeris): nustatai tam tikrą laiko atkarpą, kad prietaisas ar aparatas veiktų. Tas laikmatis dažnai taip pat yra įterptinė sistema, bet tai žemiausias įterptinių sistemų laiptelis. Jeigu norime daugiau funkcijų, jutikliai yra būtini. Jais užtikrinamas grįžtamasis ryšys. Jutiklių parinkimas labai svarbi sistemos projektavimo dalis. Tačiau lemiamas komponentas – valdymo algoritmas. Paprastose sistemose taikomi standartiniai reguliavimo algoritmai, o į sudėtingiausias sistemas diegiami algoritmai, imituojantys net kai kurias dirbtinio intelekto funkcijas, pvz., kai automobilis „pats“ gali priimti sprendimus ir važiuoti be vairuotojo pagalbos.

Greitis yra viskas

Jūs minėjote amorfinės elektronikos pagrindu sukurtų įterptinių sistemų trūkumus: daug menkesnis greitis ir energetinis našumas.

M. Viliūnas. Procesoriai iš amorfinių medžiagų dar nesukurti, todėl kalbėti apie amorfines įterptines sistemas ankstoka. Kol kas turime tik amorfinius elektronikos komponentus – tranzistorius, diodus, fotodiodus, varžas. Naudojant tokius komponentus nukenčia kuriamų elektronikos įrenginių veikimo sparta. Jeigu kristalinių puslaidininkių taktinis dažnis yra 1 GHz eilės, tai pritaikius amorfinius puslaidininkius labai pasiseks, jeigu pavyks užsitikrinti 1 kHz eilės taktinį dažnį, t. y. milijoną kartų mažesnį. Ką reiškia tas kilohercas? Reiškia, kad per sekundę galima atlikti tūkstantį veiksmų. Gerai sustačius algoritmą kai kuriems įtaisams to galėtų pakakti.

Bet gal šį amorfinių puslaidininkių greitaveikos trūkumą kokiu nors būdu būtų galima paversti privalumu? Kaip kad yra su jų taikymu radiacijos sąlygomis.

M. Viliūnas. Bijau, kad negalima, šiais laikais greitis yra viskas. Daug kas priklauso nuo projektavimo. Yra tokių nišų, kur galima panaudoti ir tokius lėtaeigius komponentus. O įskaitant netvarkių puslaidininkių privalumus gautas rezultatas gali būti labai geras.

Be tikslių matavimų geros medžiagos nesukursi

Prie kokių darbų Jums pačiam tenka dirbti?

M. Viliūnas. Jei kalbame apie su įterptinėmis sistemomis susijusią veiklą, šioje srityje tenka kurti prietaisus. Daugiausiai tai proceso valdymo prietaisai. Kaip vieną sėkmingesnių galėčiau paminėti autofokusavimo valdiklį, skirtą užtikrinti, kad medžiagos paviršių apdirbantis lazerio spindulys net ir esant nelygiam paviršiui visada būtų fokusuotas. Šiuos prietaisus jau daugiau kaip penkerius metus perka japonų firma ir komplektuoja į jų tiekiamą pramoninę šviestukų gamybos įrangą. Beje, džiugu, kad toje įrangoje veikia ir lietuviškas lazeris. Dabar viena iš veiklų optimalios galios režimu dirbančių valdiklių projektavimas. Jie skirti prijungti nestandartinės ir nevienodos įtampos saulės elementų modulius prie vienos magistralės.

Be to, dirbu su studentais. Mano dėstomuose kursuose studentai supažindinami su procesoriais ir jų taikymu – įterptinėmis sistemomis. Vienas iš skaitomų kursų skirtas matavimo problemoms.

Kita mano veiklos sritis – medžiagų tyrimas. Jeigu norime padaryti gerą medžiagą, pirmiausia reikia mokėti išmatuoti jos parametrus. Tai mūsų katedros stiprybė – mokame gerai išmatuoti parametrus. Mokėdami gerai matuoti parametrus, bandome ir patys kurti naujas medžiagas ir prietaisus. Tyrimams dažnai prireikia nestandartinės aparatūros, taigi dažnai tenka pasidarbuoti ją kuriant.

Vienas iš ryškiausių Kietojo kūno elektronikos katedros pasiekimų – CELIV (Charge Extraction by Linearly Increasing Voltage – krūvio ištraukimas tiesiškai kylančiame lauke) metodika, sukurta pagal prof. akad. Gyčio Juškos idėją ir jam vadovaujant. Šis metodas kartu su TOF (Time Of Flight – lėkio trukmės) metodu yra pagrindiniai, tiriant krūvininkų pernašos charakteristikas puslaidininkiuose. Tačiau CELIV gali būti naudojamas tirti didesnio, nei įmanoma su TOF, laidumo medžiagas. Be to, CELIV turi pranašumų ir stipriai netvarkiose medžiagose, tokiose kaip dabar ypač populiarūs organiniai puslaidininkiai. Taigi CELIV, pirmąsyk pristatyta 2000 m., greitai išpopuliarėjo ir dabar yra pirmasis pasirinkimas tiriant krūvininkų pernašą organinėse medžiagose. Malonu prisiminti, kad prisidėjau prie šios metodikos atsiradimo, kurdamas skaitmeninius srovės laikinės priklausomybės skaičiavimo modelius įvairių parametrų medžiagose.

Kalbant apie mūsų katedros nuopelnus negalima apeiti ir kito G. Juškos ir jo kolegų atradimo. Profesorius aptiko tarpjuostinės krūvininkų smūginės jonizacijos reiškinį amorfiniame selene, kuris leido gauti tūkstančius kartų didesnį signalą esant silpnai fotogeneracijai. Šis reiškinys panaudotas kuriant labai jautrias filmavimo kameras. Jomis galima filmuoti naktį ir po vandeniu. Pritaikoma medicinos reikmėms, kai tenka fotografuoti iki 50 mikrometrų storio kraujagysles, nustatant vėžio formavimosi vietą ir pan. Pati kamera pagaminta japonų, taikant atrastąjį efektą šviesai jautriame vidikono sluoksnyje.

Fundamentiniai pagrindai visada reikalingi

Kur čia įterptinių sistemų vaidmuo?

M. Viliūnas. Šiuos reiškinius ar efektus aptinkant įterptinės sistemos nefigūruoja, nors jos naudojamos. Jos pradeda figūruoti ten, kur reikia pereiti prie galutinio produkto kūrimo. Pvz., turime organinius šviestukus ir reikia parodyti vaizdą, t. y. padaryti iš šviestukų ekraną. Kaip tai padaryti?

Pritaikius ir kitų sričių išradėjų padarytus inžinerinius sprendimus.

M. Viliūnas. Taip, nes šiame darbų etape būtent ir prasideda inžinerija. Naujos medžiagos ir iš jų kuriami komponentai yra fizika, o įterptinės sistemos – jau inžinerija.

Viena kitą tik pastiprina.

M. Viliūnas. Išmanant fiziką ir turint įgūdžių inžinerijoje galima pasiekti labai gerų rezultatų.

Bet pagrindas fizika?

M. Viliūnas. Visko pagrindas yra fizika – taip atsakyčiau. Iš bendro konteksto neatplėščiau įterptinių sistemų, nes tai lengvinanti gyvenimą, gerinanti visų prietaisų kokybę inžinerija. Dabar fizikoje (ir ne tik) labai plačiai taikomi lazeriai. Tačiau be įterptinių sistemų net ir su geriausiais lazeriais toli nenueisi. Ten daugybę parametrų reikia kontroliuoti, išlaikyti, o jei tenka naudoti lazerio spindulį, tai be įterptinių sistemų taip pat neišsiversi. Jos padeda spindulį fokusuoti, nukreipti, moduliuoti ir pan.

O fizikinės žinios labai reikalingos. Jei žmogus nusimano inžinerijoje, bet silpnai suvokia fizikinius procesus, kuriuos tenka reguliuoti ar automatizuoti, tai veikiausiai pasirinks ne patį optimaliausią techninį sprendimą. Štai kodėl gretutinių dalykų išmanymas tiek inžinieriui, tiek ir mokslininkui labai reikalingas.

Galiu remtis ir savo paties buvusių studentų patirtimi. Neseku, kur įstoja ar kokius darbus dirba mano skaitomus kursus išklausę studentai, bet iš tų, kurių baigiamiesiems darbams vadovavau, du į magistrantūrą įstojo užsienyje, o vienas iš karto pradėjo dirbti. Visi jie įsidarbino ten, kur dirbama su įterptinėmis sistemomis. Įdomūs atrankos kriterijai. Kadangi mūsų vyrukai baigė fizikos mokslus, neturėjo bent kiek didesnės praktinio darbo su įterptinėmis sistemomis patirties. Bent jau šioje srityje jiems sunku varžytis su inžinerinių aukštųjų mokyklų absolventais. Konkurso metu jų testų rezultatai buvo prastesni už inžinerijos mokslų atstovų, bet pokalbių metu jie atsigriebė, nes turi fundamentinių mokslų pagrindus. Vienas atvejis mane gerokai nustebino, kai mūsiškis studentas gavo užsienyje darbą atsisakius tose pareigose prieš tai dirbusio vietinio darbuotojo, baigusio inžinerinio profilio aukštąją mokyklą. Taigi fizikinio proceso išmanymas net ir labai praverčia.

Taip pat labai svarbu yra domėjimasis savo darbu. Jeigu fizikas dar domisi ir įterptinėmis sistemomis, akivaizdu, kad to profilio inžinerinėje veikloje jis yra motyvuotas darbuotojas. O toks darbuotojas net ir nemokėdamas ar nežinodamas kai kurių dalykų, neturėdamas atitinkamų įgūdžių, juos įgis dirbdamas.

Kalbėjosi Gediminas Zemlickas