Docentas Mindaugas VILIŪNAS dirba Vilniaus universiteto Kietojo kūno elektronikos katedroje. Šio universiteto Fizikos fakultetą baigė 1992 m., po septynerių metų apsigynė fizikos mokslų daktaro disertaciją. Pagrindinė jo tyrinėjimų sritis – krūvininkų transporto tyrimai netvarkios struktūros medžiagose. Vilniaus universitete studentams skaito įvairius specialius kursus, kuriuos lanko ne vien būsimieji fizikai, bet ir chemikai, matematikai. Pirmiausia tai „Mikroprocesorių technologijų“ bendras kursas, laisvai pasirenkamas visame universitete. Šis ir kiti M. Viliūno skaitomi kursai – „Skaitmeninių signalų procesoriai“, „Skaitmeninių signalų procesorių taikymai“ ir „Kompiuterizuotieji fizikiniai ir technologiniai matavimai“ – tiesiogiai susiję su įterptųjų sistemų problematika. Šių sistemų reikšmę fizikams ir fizikos procesų suvokimo svarbą dirbantiems su įterptosiomis sistemomis inžinieriams aptarsime pašnekesyje su Mindaugu Viliūnu.
Mokslo Lietuva. Esate fizikas, kietojo kūno elektronikos atstovas. Kas daroma Vilniaus universiteto Kietojo kūno elektronikos katedroje?
Mindaugas Viliūnas. Kietojo kūno elektronikos katedroje dirbame su įvairiomis puslaidininkinėmis medžiagomis, daugiausia organiniais puslaidininkiais, amorfiniais ir mikrokristaliniais dariniais. Svarbi šių medžiagų savybė – žymiai mažesnė vidinė tvarka negu kristaliniuose puslaidininkiuose. Tai suteikia šioms medžiagoms iš esmės naujų charakteristikų. Medžiagos su mažesne vidine tvarka nėra svarbiausios puslaidininkinėje elektronikoje, bet jos taikomos saulės energetikoje, vaizdo nuskaitymo ir atkūrimo sistemose, jutikliuose ir kai kuriose kitose srityse.
ML. Kaip suderinti amorfines organines medžiagas, su kuriomis dirbate, ir kietąjį kūną, kuris figūruoja katedros pavadinime?
M. Viliūnas. Organika gali būti nebūtinai minkšta, yra ir pakankamai kieta. Tarkime, perlai. Abejoju, kad kam nors asocijuojasi su minkštu daiktu. Matote, mūsų katedros darbų paskirtis nėra labai griežtai apibrėžiama: čia organika, o štai ten jau ne. Tiesiog dirbame su medžiagomis, puslaidininkiais, tačiau tais, kurie nėra patys populiariausi, bent jau ne tokie kaip kristalinis silicis, ar germanis… Dažniausias mūsų tyrimo objektas yra didžiavaržiai (didelės varžos) puslaidininkiai, t. y. medžiagos, kurių elektrinis laidumas gerokai mažesnis negu įprastinių.
elektronikos katedros veiklą įterptųjų sistemų srityje (Gedimino Zemlicko nuotrauka)
ML. Ar tai našiausias būdas – iš organinių medžiagų gaminti šviestukus ir saulės elementus?
M. Viliūnas. Iš įprastų puslaidininkinių medžiagų gaminami šviestukai, kurių naudingumo koeficientas bus apie 15 proc., o iš organinių medžiagų pagamintų šviestukų kol kas geriausiu atveju pavyksta „išspausti“ kelių procentų naudingumo koeficientą. Pavykus gauti bent 5 proc. jau gali jaustis laimingas.
ML. Tai kas Jus ir kitus tyrinėtojus traukia būtent prie organinių medžiagų?
M. Viliūnas. Jeigu šviestukai daromi iš organinių medžiagų, tai tą medžiagą galima užtepti ant namo sienos ir ji švies. Panašiai ir su saulės elementais. Naudojant organiką galima nudažyti atitinkamais dažais stogą ir turėsime „bateriją“, kurios efektyvumas bus, tarkime, apie 3 proc., bet net ir tai yra mūsų siekiamybė, nes nebrangios medžiagos ir instaliavimo paprastumas atpirks nedidelį efektyvumą. Dabar masiškai parduodamų saulės baterijų efektyvumas yra apie 15 proc. Tai vartotojui pagal kainą prieinama baterija, optimaliausia statyti, nes galima nusipirkti ir 30 proc. efektyvumo, tik ne kiekvienam pagal kišenę.
Neturėtume pamiršti, kad organinės medžiagos linkusios senti, jų savybės degraduoja, ir tai didelė prob-lema. Deguonies veikiama organika praranda efektyvumą. Deguonis krūvininkų pernašai sudaro kliūčių, o saulės elementams tai didelis trūkumas. Skirtingai nuo organikos kristalinis puslaidininkis daugmaž savo efektyvumą išlaiko, ir tai dar vienas jo pranašumas.
Netvarkių organinių struktūrų privalumas
ML. Ar nenorite pasakyti, kad siekiate galva pramušti sieną? Kodėl mandagiai neatsisveikinus su netvarkiomis medžiagomis ir nesiėmus darbo su kristaliniais puslaidininkiais? Juk patikimesni, ilgalaikiai, didesnio efektyvumo.
M. Viliūnas. Kai kurios šių organinių puslaidininkių savybės labai egzotiškos ir tuo patrauklios. Įprastiniai puslaidininkiniai prietaisai apšviečiami stiprios jonizuojančios spinduliuotės nustoja veikti, gali netgi nepataisomai sugesti. Pvz., Černobylio atominės elektrinės katastrofos padariniams likviduoti bandyta naudoti robotus. Jie turėjo stumti nuo elektrinės stogo radioaktyvias nuolaužas, bet labai greitai visi tie robotai išėjo iš rikiuotės. Kodėl? Radiacijos fonas taip stipriai veikė puslaidininkius, kad jie pasirodė visai neilgalaikiai. Robotai buvo pakeisti žmonėmis, padarinių likvidatoriais…
ML. Kaip paaiškintumėte amorfinių puslaidininkių atsparumą radiacijai?
M. Viliūnas. Amorfiniai puslaidininkiai iš principo yra netvarkūs, t. y. netvarkios vidinės struktūros. Įprasti puslaidininkiai savo kristalinės struktūros dėka yra labai tvarkūs, tačiau bet koks tų kristalų pažeidimas veda prie puslaidininkio savybių degradavimo. Amorfinis puslaidininkis yra betvarkumo pavyzdys, o kiek betvarkę begadintum, ji vis viena lieka betvarkė, todėl jos savybės praktiškai nekinta. Jeigu tų minėtų robotų valdymo blokai būtų sukurti taikant amorfinę elektroniką, daugybei žmonių būtų išsaugotos gyvybės.
Optimalios galios valdiklių svarba
ML. Kur visuose čia aptariamuose dalykuose įterptųjų sistemų taikymo, gal ir kūrimo vieta?
M. Viliūnas. Visada domėjausi šiuo dalyku. Inžinerinė veikla elektronikoje itin glaudžiai susijusi su įterptosioms sistemomis, o pastaruoju metu tai itin perspektyvi sritis ir jos reikšmė tik didės. Sunku rasti sritį, kur šios sistemos nebūtų taikomos jau šiandien. Įterptųjų sistemų misija – padaryti kiekvieną prietaisą funkcionalesnį ir efektyvesnį. Kalbant apie mūsų darbą, siekiame sukurti efektyvesnes saulės baterijas. Tarkime, deklaruojamas saulės baterijos efektyvumas yra apie 15 proc. Tai reiškia, kad jei užtikriname optimalią apkrovą, gausime būtent tokį efektyvumą. Bet jei saulės baterija krauna akumuliatorių ar jei ji pajungta prie kokio nors kito energijos vartotojo, priklausomai nuo apšviestumo, baterijos temperatūros ir apkrovos charakteristikų gali būti išgauna tik dalis generuotos energijos. Taip yra todėl, kad maksimali energija išgaunama tik prie tam tikros apkrovos varžos. Taigi reikia prietaiso, išgaunančio maksimalų energijos kiekį ir jį perduodančio vartotojui.
ML. O kad perduotų, reikia užtikrinti optimalią apkrovą?
M. Viliūnas. Teisingai, todėl dabar vis svarbesnis optimalios galios valdik-lių (kontrolerių) kūrimas. Reikia tam tikrų įtaisų ar prietaisų, kurie smarkiai padidintų energetinį našumą, nors nieko naujo, atrodytų, ir nepadaro.
ML. Tai čia jau prasideda įterptųjų sistemų indėlis?
M. Viliūnas. Taip, įterptoji sistema turi suskaičiuoti visus režimus, „žinoti“, kaip veikia ta saulės baterija ir kokia jai reikalinga apkrova. Iš visos šios turimos informacijos galima parinkti optimalų darbo režimą. Be to, įterptoji sistema gali kaupti duomenis apie generuojamą galią ir saulės baterijos būklę, o jei yra mechaninių galimybių, gali orientuoti saulės bateriją išgauti didžiausią galią.
Apskritai įterptąsias sistemas galima pritaikyti beveik visur, kur naudojama elektros energija. Tarkime, elektrinis dantų šepetėlis. Jo atskiros detalės sukasi, vibruoja, valo dantis, bet šis įtaisas gali atlikti ir kitokias papildomas funkcijas: matuoti laiką, apkrovą ir pagal šiuos parametrus derinti įtaiso veikimą. Įterptosios sistemos praverčia visose vietose, kur reikia pasukti galvą, kaip optimaliai panaudoti įvairią įrangą, aparatūrą, prietaisus ar įtaisus ir pagal tai reguliuoti darbą. Jeigu norime maksimaliai panaudoti prietaiso ar įtaiso galimybes, stengiamasi į jį įterpti tam tikrą papildomą sistemą, kuri optimaliai ir valdo tą prietaisą.
ML. Gali suteikti ir naujų funkcijų? Pvz., prijungus papildomus įrankius?
M. Viliūnas. Įterptoji sistema yra prietaiso „smegenys“. Gavęs „smegenis“ prietaisas gali įgyti ir papildomų savybių. Aš šiuo atveju daugiau dirbu prie „smegenų“, o ne įrankių. Tačiau ir apie įrankius kūrėjas, inžinierius ar fizikas, turi išmanyti, antraip „smegenys“ darys ne tai, kas reikalinga.
Net ir prietaisams reikia akių ir ausų
ML. Tarkime, skaitmeninis foto-aparatas ar išmanusis telefonas, kurie prikaišioti įvairių įterptųjų 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, įterptosios 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 įterptosios 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 įterptąją 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 įterptosios sistemos „nuopelnas“. Sutaupoma daugiau energijos, grąžtas ilgiau tarnauja, taigi įgyjame įvairių darbo su įrankiu privalumų.
ML. Ko reikia, kad tokia įterptoji 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 įterptoji sistema, bet tai žemiausias įterptųjų 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
ML. Jūs minėjote amorfinės elektronikos pagrindu sukurtų įterptųjų sistemų trūkumus: daug menkesnis greitis ir energetinis našumas.
M. Viliūnas. Procesoriai iš amorfinių medžiagų dar nesukurti, todėl kalbėti apie amorfines įterptąsias 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.
ML. 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
ML. Prie kokių darbų Jums pačiam tenka dirbti?
M. Viliūnas. Jei kalbame apie su įterptosioms 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 – įterptosiomis 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
ML. Kur čia įterptųjų sistemų vaidmuo?
M. Viliūnas. Šiuos reiškinius ar efektus aptinkant įterptosios 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?
ML. 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 įterptosios sistemos – jau inžinerija.
ML. Viena kitą tik pastiprina.
M. Viliūnas. Išmanant fiziką ir turint įgūdžių inžinerijoje galima pasiekti labai gerų rezultatų.
ML. Bet pagrindas fizika?
M. Viliūnas. Visko pagrindas yra fizika – taip atsakyčiau. Iš bendro konteksto neatplėščiau įterptųjų sistemų, nes tai lengvinanti gyvenimą, gerinanti visų prietaisų kokybę inžinerija. Dabar fizikoje (ir ne tik) labai plačiai taikomi lazeriai. Tačiau be įterptųjų sistemų net ir su geriausiais lazeriais toli nenueisi. Ten daugybę parametrų reikia kontroliuoti, išlaikyti, o jei tenka naudoti lazerio spindulį, tai be įterptųjų 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 įterptosiomis sistemomis. Įdomūs atrankos kriterijai. Kadangi mūsų vyrukai baigė fizikos mokslus, neturėjo bent kiek didesnės praktinio darbo su įterptosiomis 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 įterptosiomis 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.
Bus daugiau
Kalbėjosi Gediminas Zemlickas
