Поиск - новости науки и техники

Почти по Дарвину. Томские учёные впервые в мире применили генетические алгоритмы для компьютерной генерации электрических схем

Будь в Японии роботы специального назначения, рассчитанные на работу в условиях повышенной радиации, аварию на АЭС в Фукусиме удалось бы ликвидировать гораздо быстрее. Но летит ли сегодня рой беспилотников, отбирает пробы грунта луноход или исследует дно океана телеуправляемый подводный аппарат, всем им необходимы надежная связь, грамотные системы управления, бесперебойное энергоснабжение. Эти задачи решались в ходе реализации проекта Российского фонда фундаментальных исследований «Анализ, исследование и разработка перспективных радиотехнических систем и устройств силовой электроники для робототехнических комплексов космического, воздушного, морского и наземного базирования», для работы над которым объединились представители Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники и высокотехнологичных предприятий города. Проект выполняли под общим руководством первого проректора ТУСУР, доктора технических наук Юрия Шурыгина.

 – В нашем университете сложились три коллектива: один разрабатывал интегральные схемы для систем связи, другой занимался силовой электроникой, третий – глубоководными аппаратами. И со временем стало понятно: робототехника – та область, где мы можем объединить усилия, – рассказал руководитель одного из направлений, директор НИИ микроэлектронных систем ТУСУР, доктор технических наук Леонид Бабак. – Наш НИИ разрабатывает интегральные схемы для систем связи, которые применимы как в наземных условиях, так при полётах в атмосфере и космосе. Системы связи – одно из ключевых направлений ТУСУР, и в 2018 году в университете был открыт НИИ микроэлектроники, где мы разрабатываем, в частности, интегральные высокочастотные и сверхвысокочастотные приёмники и передатчики на основе современных микро- и наноэлектронных технологий. Производство таких интегральных схем напоминает изготовление многослойного полупроводникового «пирога». Работа над проектом, поддержанным РФФИ, позволила с использованием технологии кремний-германий создать на чипе размером 2 на 2 миллиметра широкополосный приёмник высокой степени интеграции для систем связи, выполняющий сложные функции по обработке сигналов. Подобные приемопередатчики могут быть разного назначения, работать в различных диапазонах частот и применяться, скажем, в космосе для общения беспилотных летательных аппаратов между собой, в технологиях 5G, «умного» города и «умного» дома, Интернета вещей, «умной» одежды, вплоть до кроссовок, считающих шаги.

При проектировании высокочастотных и сверхвысокочастотных приемопередатчиков одной из трудоёмких и длительных операций является разработка электрических схем аналоговых устройств. Эти схемы сегодня придумывают опытные инженеры, на подготовку которых уходят 5-7 лет. Мы поставили цель, чтобы с генерацией схем мог справляться компьютер. Оказалось, электрические схемы можно закодировать в виде хромосом и реализовать на компьютере процесс приспособления искусственного организма (схемы) к внешним условиям (поставленным техническим требованиям) на основе представлений генетики, включая операции скрещивания, мутации и отбора. При этом за 10 минут сменяются до 10 тысяч поколений искусственных организмов. Нам удалось впервые объединить с генетическим алгоритмом правила, по которым должны строиться практически выполнимые схемы аналоговых высокочастотных устройств. В результате создана единственная в мире программа автоматической генерации принципиальных схем сверхвысокочастотных линейных и малошумящих усилителей. Достижения искусственного интеллекта впечатляют: один из «созданных» им малошумящих широкополосных усилителей занял по совокупности характеристик третью строчку в списке подобных зарубежных коммерческих изделий. При этом сгенерированные компьютером схемы человек может в случае необходимости «довести до ума», например, для удобства практической реализации.

Работа над проектом позволила продвинуться и дальше: от построения одномерной (плоской) электрической схемы до создания топологии интегральной схемы высокочастотного устройства – реальной конфигурации элементов и проводников в трехмерном пространстве. На решение такой задачи у инженера уходят как минимум две недели, причём работают над этим лучшие специалисты. Но если топологию сгенерирует компьютер, инженер может доработать ее в течение дня. Мы сумели создать основу для реальных коммерческих программных продуктов, и в этом нам помог грант РФФИ. Сегодня в мире нет подобных программ по синтезу усилителей, облегчающих жизнь инженерам. Но теперь есть шанс, что впервые они будут разработаны в России. В декабре 2018 года во Франции я делал доклад на конференции по микроэлектронным устройствам. Зарубежные коллеги сочли наши работы прорывом.

Ещё одно направление работ по гранту – радиофотоника. Сегодня связь в космосе, например,  обеспечивают радиопередатчики с большим количеством антенн и других компонентов, поэтому коаксиальные кабели буквально опутывают спутник или космический корабль. Но почему бы не использовать для передачи информации свет и оптоволокно в сочетании с микроэлектроникой? Современные кремниевые технологии позволяют создать радиофотонные интегральные схемы, где на одном чипе размером в несколько квадратных миллиметров объединяются оптические и электронные компоненты. В рамках гранта РФФИ мы разработали и исследовали элементы подобных радиофотонных схем. Следующая наша цель – создать на такой основе радиофотонные системы со скоростью передачи информации до 20 гигабит в секунду. Мировые лидеры уже достигли скорости 100 гигабит в секунду и выше, но в России мы только начинаем это направление.

Однако недостаточно соорудить миниатюрный приёмопередатчик на интегральных схемах. Необходимо правильно разместить сеть таких приёмопередатчиков с антенными элементами, например, на поверхности летательного аппарата, подобрать алгоритмы цифровой обработки сигналов, чтобы минимизировать помехи, возникающие, скажем, в летящем рое беспилотников из 150 машин. И здесь на помощь учёным ТУСУР пришли производственники, специалисты по техническим решениям ООО «ЛЭМЗ-Т».

– Наше предприятие более 10 лет занимается разработкой и производством вычислительных средств для систем управления воздушным движением и контроля воздушного пространства, мы являемся центром исследований и разработок НПО «Алмаз», – рассказывает директор «ЛЭМЗ-Т» Юрий Светличный. – На нашем программном обеспечении работает аппаратура многих российских и зарубежных аэропортов. Сотрудничество с ТУСУР помогает готовить кадровый резерв предприятия при выполнении совместных проектов. Участие в проекте РФФИ позволило адаптировать наши технические решения, прежде применявшиеся лишь в стационарном оборудовании, для мобильных устройств, в частности, для беспилотных летательных аппаратов. В характеристике наших устройств радиолокации и связи добавилась строчка «с возможностью применения в мобильных беспилотных средствах». Эффективность алгоритмов обработки информации при этом не снизилась, в том числе благодаря научной поддержке коллег из университета. Удачное сотрудничество решено продолжить – сейчас мы вместе с ТУСУР развиваем отечественную элементную базу микроэлектроники и радиофотоники для малогабаритных цифровых антенных систем.

– На полностью отечественную элементную базу рассчитан созданный в рамках проекта модуль контроля управления литий-ионных аккумуляторных батарей, используемых в космических аппаратах, – подключается к беседе руководитель третьего направления, директор НИИ автоматики и электромеханики, проектор ТУСУР по научной работе и инновациям Виктор Рулевский. – Основная проблема таких батарей – в процессе эксплуатации их элементы заряжаются и разряжаются неравномерно, наступает дисбаланс, который уменьшает суммарную ёмкость батареи и сокращает срок службы. Разработанный нами модуль позволяет осуществить постоянный контроль параметров аккумуляторов батареи и выравнивание заряда в элементах батареи активным или пассивным методом, обеспечив тем самым необходимый ресурс и сохранение требуемой ёмкости литий-ионной аккумуляторной батареи в течение всего срока эксплуатации.

Еще одно направление работы – разработка систем энергоснабжения для телеуправляемых необитаемых подводных аппаратов. Возможность погружения таких аппаратов – 6 километров, то есть предельные глубины Мирового океана, на которых ведутся работы. Электропитание осуществляется с корабля по кабелю-тросу: учитывая преодолеваемые расстояния, обеспечение бесперебойности энергоснабжения становится очень сложной научно-технической задачей, к тому же систему надо сделать компактной. Поскольку моя докторская диссертация посвящена системам энергоснабжения телеуправляемых необитаемых подводных аппаратов, я еще поспорю, где тяжелее работать, в безвоздушном пространстве или под давлением толщи океанских вод, в «подводном космосе». За годы работы по проекту создан опытный образец системы электропитания, который в ближайшее время будет испытан на кораблях нашего давнего индустриального партнера. Такого типа систем энергоснабжения в России еще нет, мы являемся единственными разработчиками, чем, честно говоря, гордимся.

Но ТУСУР остаётся, прежде всего, университетом, причём с «фирменной» технологией группового проектного обучения. Поэтому подобные гранты позволяют не только привлечь студентов, начиная с третьего курса, к решению самых актуальных задач, но и создать новые магистерские программы: например, НИИ микроэлектронных систем открыл магистратуру по проектированию высокочастотных интегральных схем.

Ольга Колесова

Нет комментариев