Katedra Mikroelektroniki i Technik Informatycznych

Transkrypt

1 Katedra Mikroelektroniki i Technik Informatycznych Specjalności studiów na kierunku Elektronika i telekomunikacja rok akademicki 2009/2010 ul. Wólczańska 221/223, budynek B18

2 Pracownicy 3 profesorów 24 adiunktów 1 wykładowca 4 asystentów ponad 30 doktorantów Kierownik Katedry: prof. dr hab. inż. Andrzej Napieralski Spotkaliśmy się już z Państwem na zajęciach z przedmiotów: Metody numeryczne Przyrządy półprzewodnikowe mocy Komputerowe projektowanie układów elektronicznych Podstawy mikroelektroniki 2

3 Kierunki działalności naukowej ELEKTRONIKA PRZEMYSŁOWA MIKROELEKTRONIKA Układy scalone VLSI Układy mikroprocesorowe i reprogramowalne Układy z przełączanymi pojemnościami Mikrostruktury krzemowe Termika i termografia Impulsowe układy przekształtnikowe Kompatybilność elektromagnetyczna Systemy fotowoltaiczne Systemy cyfrowe Modelowanie i symulacja Systemy Języki programowania biometryczne Języki opisu sprzętu Architektura komputerów Nowe materiały półprzewodnikowe Technika i metody pomiarowe Komputery i sieci przemysłowe Programowanie rozproszone Konstrukcja kompilatorów Analiza obrazów Inżynieria oprogramowania Sztuczna inteligencja Technologie internetowe Oprogramowanie dla urządzeń przenośnych INFORMATYKA 3

4 Programy badawcze Projekty międzynarodowe Granty krajowe KBN/MNiI/MEiN/MNiSW CARE (6PR) Coordinated Accelerator Research in Europe PERPLEXUS (6PR) Pervasive Computing Framework for Modeling Complex Virtually-Unbounded Systems EuCARD (7PR) European Coordination for Accelerator Research and Development 19 projektów zrealizowanych programy UE, NATO i in. 5 w trakcie realizacji 1 zatwierdzony 44 ukończone Programy dla mikroelektroniki EuroChip, EuroPractice projektowanie i produkcja małych serii układów scalonych 4

5 CARE i EuCARD ośrodek DESY 5

6 Detektor ZEUS w tunelu HERA 6

7 CARE tematy badawcze Katedry Oparty na FPGA podsystem dla układu niskopoziomowego sterowania akceleratora Precyzyjny system strojenia wnęk rezonansowych oparty na elementach piezoelektrycznych i magnetostrykcyjnych Maszyny stanowe do sterowania akceleratorów VUV-FEL, X-FEL i ILC Wpływ promieniowania na elementy elektroniczne programowe i sprzętowe metody minimalizacji Rozproszona baza danych ustawień systemu Detekcja fazy wiązki elektronów 7

8 Inne bieżące projekty naukowe IrisStation system precyzyjnej akwizycji obrazów oka w czasie rzeczywistym nowa, unikalna metoda rozpoznawania osób na podstawie wzoru tęczówki generacja kryptograficznego klucza biometrycznego Wieloprocesorowy superkomputer do symulacji układów chemicznych (wspólnie z Katedrą Fizyki Molekularnej PŁ) procesorów nowatorski algorytm badania złożonych układów w rzeczywistej skali wielkości i czasu 8

9 Nagrody IrisStation precyzyjny system akwizycji obrazu oka do zastosowań biometrycznych Kompilator języka C generujący programy odporne na awarie sprzętowe Eureka! 2007 złoty medal Wyróżnienia lokalne Eureka! 2007 złoty medal z wyróżnieniem Prezydenta Miasta Łodzi (Łódzkie Eureka) Nagroda Gospodarcza Wojewody Łódzkiego Wyróżnienia prac doktorskich dr inż. Dariusz Makowski nagroda Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego, 2007 dr inż. Piotr Pietrzak wyróżnienie w konkursie ABB,

10 Współpraca z przemysłem Freescale Semiconductor Inc. (d. Motorola) Laboratorium pomiarów i symulacji termicznych Kinectrics Inc. (d. Ontario Hydro Technologies) Analiza termiczna przewodów energetycznych CFD Research Corporation Oprogramowanie do symulacji wielopoziomowych Tritem Microsystems GmbH Projekty komercyjnych układów scalonych dla Atmel Corporation Philips Lighting Polska SA Elektronika w nowoczesnych źródłach światła Comarch Informatyczne systemy wspomagania decyzji Teleca Systemy mikroprocesorowe Symbian Academy Nauczanie programowanie dla platform mobilnych Przedsiębiorstwa lokalne: Elpol, Elkomtech, Partnertech, Sochor Elektronika, informatyka, termografia 10

11 Najważniejsi partnerzy zagraniczni Deutsche Elektronen-Synchrotron / DESY Hamburg, Niemcy Universiteit Gent Gandawa, Belgia Universitat Politècnica de Catalunya Barcelona, Hiszpania Laboratoire d Analyse et d Architecture des Systèmes Tuluza, Francja Ecole Nationale Supérieure des Télécommunications Paryż, Francja Valtion teknillinen tutkimuskeskus / VTT Espoo, Finlandia Natsional nyi Universytet L vivs ka Politekhnika Lwów, Ukraina University of Toronto Toronto, Kanada 11

12 Wyjazdy zagraniczne Program Erasmus 13 uczelni w 7 krajach Średnio 15 wyjazdów studenckich rocznie Ośrodek DESY w Hamburgu Realizacja prac dyplomowych Udział w realizacji zadań w międzynarodowych projektach naukowych Prace dyplomowe Lappeenranta Horsens Bournemouth Hamburg Gent Hasselt Nantes Львів Paris Solothurn Toulouse Barcelona Sevilla Wakacyjne praktyki wymienne Politechnika Lwowska corocznie 10 osób z każdej z uczelni 12

13 Czym dysponujemy 2 nowoczesne aule wykładowe, każda na 150 osób 3 nowoczesne sale wykładowe, każda na 50 osób 5 pracowni komputerowych (komputery klasy PC) pracownia projektowania układów scalonych wyposażona w 7 stacji roboczych Sun oraz silne jednostki obliczeniowe PC laboratorium układów programowalnych i systemów mikroprocesorowych oraz sterowników i sieci przemysłowych laboratorium systemów wbudowanych laboratorium projektowania i konstrukcji układów elektronicznych mocy stanowisko konstrukcyjne obwodów drukowanych pracownia dyplomowa z frezarką do płytek drukowanych 5 pracowni naukowych pracownia studenckich kół naukowych biblioteka naukowa 13

14 Nowa siedziba Katedry Bud. B18 ul. Wólczańska 221/ m2 powierzchni 2008 Adaptacja budynku jest współfinansowana z Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego i środków Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego 14

15 Specjalność Układy elektroniki przemysłowej Katedra Mikroelektroniki i Technik Informatycznych

16 Osoby związane ze specjalnością prof. Andrzej Napieralski dr Tomasz Poźniak dr Sławomir Bek mgr Zbigniew Kulesza dr Piotr Pietrzak dr Marek Kamiński mgr Łukasz Starzak mgr Konrad Przygoda dr Witold Marańda dr Maciej Piotrowicz mgr Maciej Makowski mgr Bartosz Pękosławski 16

17 Zagadnienia rynek wiedzy Przyrządy dyskretne i układy scalone Przekształtniki elektroniczne Bloki sterowania elektronika analogowa i systemy mikroprocesorowe Akwizycja, transmisja i przetwarzanie danych Projektowanie, konstrukcja i uruchamianie układów narzędzia komputerowe Sterowanie i nadzór nad procesami przemysłowymi Kompatybilność elektromagnetyczna 17

18 Zastosowania rynek pracy Systemy przekształcania energii elektrycznej zasilacze, baterie słoneczne, podtrzymanie zasilania Przemysł samochodowy Przemysł elektroenergetyczny i elektromechaniczny urządzenia produkcyjne, sprzęt AGD Napęd elektryczny bramy, windy, tramwaje, samochody Oświetlenie i elektrotermia wysoka sprawność i kompatybilność elektromagnetyczna Linie produkcyjne w każdej gałęzi przemysłu Laboratoria naukowe 18

19 Przyrządy półprzewodnikowe Budowa i działanie Poprawne stosowanie E ( ) N+ N Em iter Kanał G (+) E + N+ J1 P P Baza P P+ J2 IMOS P+ NBaza N J3 IPNP P+ Kolektor C (+) Nowoczesne przyrządy półprzewodnikowe mocy Pomiary Modelowanie zjawisk elektrycznych i cieplnych 19

20 Układy scalone mocy Sterowanie Zasilanie Czujnik napięcia Zabezpieczenie ESD Logika sterująca Źródło napięciowe Zabezpieczenie przepięciowe Pompa ładunkowa Przesuwnik poziomu Zabezpieczenie bramki Czujnik temperatury Ograniczenie prądowe Obciążenie Układy sterowania i zasilania, sterowniki PWM Działanie obwodów monitorowania i zabezpieczeń Metodologia analizy i projektowania Układy smart power Realizacja praktycznych układów Projektowanie układów smart power hybrydowych 20

21 Przekształtniki elektroniczne Techniki sterowania Zasilanie Sterownik Modulator η dh λ Gvg Rout Odbiornik 24,0 Napięcie wyjś ciowe [V] Podstawowe topologie Układy impulsowe mocy Sterowanie przekształtników elektronicznych Pomiar Korektor 23,6 23,2 22,8 22,4 22,0 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 Obciążenie [A] Zadanie Uwe=10V Uwe=12V Uwe=14V Projektowanie + weryfikacja symulacyjna Prototypowanie + weryfikacja doświadczalna 21

22 Systemy sterowania Mikroprocesory i mikrokontrolery Sterowniki przemysłowe Układy scalone (programowalne) Systemy sterowania w elektronice przemysłowej Sieci przemysłowe i pakiety SCADA 22

23 Programowanie układów cyfrowych Mikroprocesory i mikrokontrolery Układy programowalne Sterowniki przemysłowe Asemblery Język C Verilog VHDL IL, LD STL, FDB, ST Kod źródłowy Symulacja Testowanie Systemy sterowania w elektronice przemysłowej Modelowanie i synteza układów scalonych 23

24 Projektowanie i realizacja układów Montaż Projekt Uruchomienie Wprowadzenie do programów CAD Programy CAD w praktyce inżynierskiej Pracownia problemowa 24

25 Tegoroczne prace dyplomowe Bezprzerwowy zasilacz komputera PC Wizualizacja procesów przemysłowych z wykorzystaniem pakietów SCADA i Internetu System do monitoringu magistrali CAN Przetwornica impulsowa dla autonomicznego systemu fotowoltaicznego Małogabarytowy przekształtnik napięcia dla lampy elektroluminescencyjnej zasilanej z sieci 230 V projekt dla Regional Competence Centre firmy Philips Lighting Zastosowanie piezoelektryków do pozyskania energii elektrycznej dla zasilania modułów pomiarowych krajowy grant badawczy Impulsowy wzmacniacz mocy do sterowania piezoelektrycznych elementów wykonawczych część układu sterowania akceleratorem dla ośrodka fizyki cząstek elementarnych DESY w Hamburgu 25

26 Korzyści dla absolwenta Znajomość współczesnych rozwiązań przekształtników elektronicznych działania i praktycznych zastosowań przyrządów półprzewodnikowych i układów scalonych mocy języków programowania i opisu układów cyfrowych Umiejętność programowania mikrokontrolerów i sterowników przemysłowych projektowania i konstrukcji układów od schematu do działającego urządzenia korzystania ze sprzętu pomiarowego i narzędzi komputerowych samodzielnego rozwiązywania problemów inżynierskich 26

27 Specjalność Systemy mikroprocesorowe i układy programowalne Katedra Mikroelektroniki i Technik Informatycznych

28 Obszar zagadnień sprzęt oprogramowanie mikroprocesory języki programowania procesory sygnałowe mikrokontrolery procesory PC niskiego poziomu wysokiego poziomu pamięci, układy peryferyjne systemy operacyjne układy reprogramowalne języki opisu sprzętu VHDL PAL CPLD Verilog FPGA 28

29 Systemy mikroprocesorowe liczby W 2004 roku wyprodukowano 6,8 miliarda mikrokontrolerów, prognozowany wzrost produkcji w latach to 10,3% Wartość rynku mikrokontrolerów rośnie w tempie 8% rocznie, mikrokontrolerów 32-bitowych 16% Wartość rynku mikrokontrolerów 8-bitowych w 2004 była o 66% większa niż 32-bitowych W przeciętnym samochodzie jest około 50 mikrokontrolerów, między 2006 a 2010 wartość rynku mikrokontrolerów dla motoryzacji wzrośnie o 63% (do 9,5 miliarda dolarów) Wartość rynku układów DSP dla telefonów komórkowych w 2011 osiągnie 12 miliardów dolarów 29

30 Systemy mikroprocesorowe Zagadnienia: obsługa urządzeń peryferyjnych komunikacja sieciowa systemy czasu rzeczywistego programowanie nisko- i wysokopoziomowe projektowanie systemów Aplikacje: zbieranie i przetwarzanie sygnałów sterowanie systemy urządzeń mobilnych Symbian OS urządzenia internetowe elementy AI 30

31 Systemy mikroprocesorowe Platformy sprzętowe: 8-bit (8051) 32-bit (ARM 7 TDMI, Freescale 68331) DSP (TI TMS-320C6713) sterowniki przemysłowe (Siemens, PEP, Omron) komputery PC 31

32 Systemy mikroprocesorowe Platformy programowe: asemblery kompilatory: GCC dla C i C++ (cross i natywne), Carbide.C++, MS Visual Studio.NET 2003, 2005, 2008 dedykowane środowiska uruchomieniowe i symulacyjne dla poszczególnych układów systemy operacyjne: Linux, Symbian OS 32

33 Programowalne układy logiczne Poznanie architektury i zasady działania różnych rodzajów układów programowalnych Nauka projektowania własnych systemów opartych na układach programowalnych Nauka języków HDL przeznaczonych do syntezy i modelowania układów cyfrowych 33

34 Programowalne układy logiczne Xilinx Spartan 2S200E Xilinx XC4003E + XC3020A Xilinx Virtex II 34

35 Prace magisterskie Sprzętowy odbiornik internetowych stacji radiowych System pozycjonowania pojazdu z użyciem kamery wizyjnej Algorytmy wykrywania kształtów w analizie obrazów termograficznych Przenośny system akwizycji obrazu z wykorzystaniem kart pamięci micro SD Miniaturowy oscyloskop cyfrowy z zastosowaniem procesora ARM Implementacja sztucznych sieci neuronowych w mikrokontrolerach o małej mocy obliczeniowej 35

36 Prace magisterskie Zastosowanie procesorów ARM w aplikacjach wbudowanych Stacja pogodowa z przesyłaniem danych za pomocą sieci GSM Zastosowanie systemu GPS do określania pozycji pojazdu inspekcyjnego System sterowania robotem sprzątającym Kamera internetowa z dostępem przez sieć Ethernet Jądro systemu rozpoznawania pisma Braille a 36

37 Korzyści dla absolwenta Umiejętności Dogłębna znajomość systemów mikroprocesorowych, zarówno od strony konstrukcji sprzętu, jak i oprogramowania Szeroki wachlarz poznanych platform sprzętowych i programowych Znajomość i umiejętność korzystania z układów peryferyjnych Umiejętność stosowania programowalnych układów logicznych, zarówno od strony sprzętowej, jak i programowej Perspektywy zatrudnienia Każda firma rozwijająca systemy akwizycji, transmisji, przetwarzania danych, sterowania, w tym firmy: telekomunikacyjne elektroenergetyczne motoryzacyjne Każda firma wykorzystująca te aplikacje Możliwość kariery naukowej w kraju bądź za granicą 37

38 Specjalność Układy i systemy scalone Katedra Mikroelektroniki i Technik Informatycznych

39 Układy i systemy scalone - oferta Aktualna wiedza poparta praktyką badawczą i doświadczeniem komercyjnym prowadzących zajęcia Laboratoria wyposażone w nowoczesny sprzęt pomiarowy i badawczy Dostęp do oprogramowania CAD-EDA największych firm światowych Współpraca z wiodącymi dostawcami technologii, oprogramowania i firmami projektowymi Wymiana, współpraca i praktyka w ramach projektów Unii Europejskiej 39

40 Najważniejsze zagadnienia Technologia VLSI Układy scalone analogowe cyfrowe mieszane 40

41 Najważniejsze zagadnienia Języki HDL opisu wysokiego poziomu Programowalne układy logiczne Mikrosystemy scalone Modelowanie i symulacja zjawisk cieplnych 41

42 Technologia VLSI Organizacja cleanroom u Procesy technologiczne Integracja procesów Profile domieszkowania Charakterystyki elektryczne 42

43 Analogowe układy scalone Umiejętność projektowania schematu i topografii układów analogowych Znajomość ograniczeń wprowadzanych przez proces technologiczny Opanowanie strategii planowania umieszczania modułów w scalonych układach analogowych Umiejętność projektowania struktur scalonych z uwzględnieniem ograniczeń ze strony procesów technologicznych Wprowadzenie do opisu zjawisk elektromagnetycznych i termicznych towarzyszących pracy struktur scalonych 43

44 Cyfrowe układy scalone Metody projektowania systemów cyfrowych w układach scalonych Synteza układów cyfrowych z opisu w języku wysokiego poziomu Automatyczna generacja masek układów scalonych Układy i struktury pomocnicze w systemach scalonych idea and specification ALU MUX REG coding and verification entity port ci a downto... digital implementation fabrication alu is ( : in STD_LOGIC; : in STD_LOGIC_VECTOR(n-1 0); 44

45 Analogowo-cyfrowe układy scalone Poznanie pogranicza analogowego i cyfrowego przetwarzania sygnałów Przekazanie wiedzy umożliwiającej efektywne projektowanie scalonych systemów analogowo-cyfrowych Nabycie umiejętności uwzględniania i minimalizacji skutków ograniczeń procesów technologicznych w procesie projektowania układów mieszanych Umiejętność płynnego posługiwania się zaawansowanym profesjonalnym oprogramowaniem projektanckim 45

46 Języki opisu sprzętu VHDL Verilog VHDL DESCRIPTION state <= a when (enable= 1 ) else state; VHDL DESCRIPTION state <= a when (enable= 1 ) else 0 ; -- 2nd order sigma-delta converter test file library ieee; use ieee.std_logic_1164.all; use ieee.electrical_systems.all; entity test_converter_2nd is generic(n : integer range 1 to 24 := 8); -- number of bits of the decimator end; architecture behav of test_converter_2nd is terminal test, in_main, in_dist, input, n1, n2a, n3a, n2b, n3b, convert : electrical; signal n4, n6, n7, n8 : std_logic; signal clk, rst, en : std_logic := '0'; signal d5, d6, d9, d10 : std_logic; signal d3, d4, output : std_logic_vector(n-1 downto 0); signal con : real; begin D Q voltage_summer_inp port map(in_main, in_dist, input); a : entity work.voltage_summer(behav) state integrator_1 : entity work.integrator(behav) port map(n2a, n3a); integrator_2 : entity work.integrator(behav) port map(n2b, n3b); comparator : entity work.comparator(behav) E NQport map(n3b, electrical_ref, n4); enable dff_mod : entity work.dff(behav) port map(n4, clk, n6, n7, n8); d2a : entity work.d2a(behav) port map(n8, n1); voltage_summer_1 : entity work.voltage_summer(behav) port map(input, n1, n2a); voltage_summer_2 : entity work.voltage_summer(behav) port map(n3a, n1, n2b); counter_out : entity work.counter(behav) generic map(n) port map(clk, d6, n8, d3); counter_clk : entity work.counter(behav) generic map(n) port map(clk, rst, en, d4); reg : entity work.reg(behav) generic map(n) port map(d6, rst, d3, output); dff_dec : entity work.dff(behav) port map(d4(n-1), clk, rst, d5, d9); inv : entity work.inverter(behav) port map(d5, d10); a and_gate : entity work.and_gate(behav) port map(d10, d4(n-1), d6); clock : clk <= not clk after 500ns; enable reset : rst <= '1' after 50ns, '0' after 100ns; enable : en <= '0' after 25ns, '1' after 50ns; state 46

47 Programowalne układy logiczne To external memory To the next chip I/O I/O On-Chip Memory µp Core Config Memory Cell Interface Config & Probing Logic Cells Digital I/O Układy GAL/CPLD Układy FPGA Układy SoC (System-On-Chip) Analog Cells Analog I/O 47

48 Nowoczesne mikrosystemy scalone Budowa mikrosystemów Zagadnienia dotyczące projektowanych współcześnie mikrosystemów scalonych Budowa i działanie czujników i sensorów półprzewodnikowych Technologie wytwarzania mikrosystemów 48

49 Nowoczesne mikrosystemy scalone Czujnik promieniowania Czujnik przyspieszenia Matryca DLP Mikrozwierciadła 49

50 Nowoczesne mikrosystemy scalone Modelowanie wielodomenowe mikrosystemów Modelowanie i symulacja układów MEMS (ang. Micro-Electro-Mechanical Systems) Wielodomenowe symulacje układów mikromaszynowych z użyciem wiodących programów jak ANSYS, Mentor Graphics 1 NODAL SOLUTION ANSYS 11.0 MAR STEP=1 SUB =1 TIME=1 TEMP (AVG) RSYS=0 SMN =27 SMX = MX Prowadzanie licznych analiz, takich jak rozkład temperatury,odporności MN układu na zakłócenia elektromagnetyczne itp MEMS Przetwornik termoelektryczny - 3D 50

51 Modelowanie i symulacje termiczne Zjawiska cieplne w elektronice α 2T + Opis matematyczny Modele termiczne układów α gv + λ α λ T = λ strumień cieplny powierzchnia adiabatyczna powierzchnia adiabatyczna Metody rozwiązywania: analityczne numeryczne T t powierzchnia adiabatyczna powierzchnia adiabatyczna chłodzenie kontakty 250 G F v a lu e [ 1 / m ] 200 d is ta n c e = 1 m m d is ta n c e = 2 m m 50 d is t a n c e = 5 m m d is ta n c e = 1 0 m m T im e [ m s ] 51

52 Laboratorium układów scalonych Pracownia projektowania układów scalonych z rezydującym w niej opiekunem specjalności Laboratoria projektowe Stacje firmy Sun Microsystems Silne specjalizowane jednostki obliczeniowe klasy PC Monitory i wyświetlacze o dużej przekątnej ekranu Sprzęt i oprogramowanie do testowania układów scalonych 52

53 Laboratorium układów scalonych Profesjonalne środowiska projektowe: CADENCE: Mentor Graphics: zestaw narzędzi projektanckich do budowy układów scalonych na licencji MG Synopsys: pakiet licencjonowanych narzędzi do projektowania i weryfikacji układów scalonych wybrane narzędzia symulacji układów scalonych Oprogramowanie w wersjach dla systemów Solaris i Linux 53

54 Technologie produkcji układów ASIC Dostęp do nowoczesnych technologii: UMC - CMOS ATMEL CMOS SoC AMS CMOS, HV, SiGe, MEMS AMIS CMOS, HV, Flash IHP HBT, SiGe:C, RF 54

55 Korzyści dla absolwenta Umiejętność projektowania: układów scalonych analogowych i cyfrowych układów programowalnych czujników i mikromaszyn Znajomość wiodących przemysłowych środowisk projektowych Możliwości zatrudnienia centra projektowe firm zachodnich powstające w Europie Środkowej polskie firmy wdrażające układy ASIC we własnych produktach ośrodki projektowe i technologiczne w krajach Unii Europejskiej staże w nowoczesnych ośrodkach badawczych i projektowych 55

56 Dziękujemy za uwagę Informacje w Internecie: neo.dmcs.p.lodz.pl/specjalnosci Opiekunowie specjalności: SMiUP dr inż. Wojciech Tylman tyl@dmcs.p.lodz.pl UEP mgr inż. Zbigniew Kulesza kulesza@dmcs.p.lodz.pl UiSS dr inż. Adrian Romiński rominski@dmcs.p.lodz.pl 56