Наука/2020

Основные результаты научной деятельности за 2020 г. по КИИСиФЭ

1. В рамках создания гибридной технологии производства многокристальных микросхем, сочетающей технологии монтажа на подложке WireBond и Flip-Chip в едином устройстве, с использованием методов интеграции система в корпусе (SiP), корпус на корпусе (POP) и корпус на корпусе через переходные отверстия в слое компаунда (TMV POP):

   • Разработана конструкторская документация на подложки и макеты с четырьмя кристаллами: один кристалл процессора, один кристалл памяти типа NOR с последовательным интерфейсом объемом 128 Мбит, один кристалл памяти типа NAND с 8-разрядным параллельным интерфейсом объемом 4 Гбит и один кристалл памяти типа DDR3L с 16-разрядным параллельным интерфейсом объемом 4 Гбит, различающиеся способами монтажа и создания электрического соединения между кристаллом и выводами подложки.
   • Разработаны комплекты конструкторской документации на экспериментальные образцы гибридной многокристальной микросхемы по методу SIP PETRSU.SIP.001 v.1.1, содержащей dummy-кристалл FC150JY производства WALTS-TEG, монтируемый по технологии Flip-Chip, и два кристалла NOR памяти Winbond W25Q32FVW, монтируемых по технологии Wire Bond.
   • Разработаны комплекты конструкторской документации на макеты и экспериментальные образцы системы корпус на корпусе (POP): на верхней плоскости нижней подложки предусмотрен монтаж по технологии Flip-Chip кристалла FC150JY_A, на верхней плоскости верхней подложки предусмотрен монтаж по технологии Wire Bond двух кристаллов W25Q128JVWI.
   • Разработана конструкторская документация на подложки, на макеты и экспериментальные образцы гибридных многокристальных микросхем по методу TMV PoP.
   • Созданы лабораторные регламенты, программы и методики исследовательских испытаний по отработке гибридного многокристального корпусирования по методам SiP, POP и TMV POP.
   • Изготовлены макеты и экспериментальные образцы, сочетающие технологии монтажа кристаллов на подложке Wire Bond и Flip-Chip, проведеныих исследовательские испытания. Создана технологическая документация — маршрутные карты и карты технологической информации для процесса гибридного многокристального корпусирования по методам система в корпусе, корпус на корпусе и корпус на корпусе через переходные отверстия в слое компаунда.

   (доц. Н. Ю. Ершова, С. А. Кипрушкин, П. В. Луньков, С. А. Региня, А. С. Штыков, П. В. Будник)
2. В рамках исследования структурной иерархии нанопористых и нанотрубчатых оксидных пленок, формируемых при электрохимическом оксидировании (анодировании) металлов и сплавов (Al, Ti, Ta, Nb, Zr, Ti-Al, Ti-Al-Nb):

   • Исследованы особенности формирования, элементный состав и структура микроконусных оксидных покрытий, полученных при анодировании спеченных порошков губчатого титана во фторсодержащихэлектролитах в сильнотоковом режиме.
   • Путем изучения анодирования порошковых образцов Nb во фторсодержащем водном электролите 1М Н₂SO₄ + 1 % HF в особых условиях гальваностатического процесса установлено формирование гетерогенной АОП общей толщиной около 2 мкм, в которой поверх регулярно пористого оксидного слоя располагается слой, состоящий из кристаллических наноструктурированныхмикроконусов. Абсолютная смачиваемость, коррозионная стойкость в биосредах, а также и высокая степень адсорбции белка свидетельствуют о перспективности предложенной методики анодной модификации для создания биосовместимых порошковых имплантатов.
   • Продолжено исследование (совместно с институтом материаловедения ХНЦ ДВО РАН г. Хабаровск) структурообразования алюмооксидных нанопористых мембран (АОНМ) с изотропной и анизотропной структурой с применением метода атомно-силовой микроскопии.
   • Начато экспериментальное изучение влияния легирования кислородом на рост микроконусных анодно-оксидных пленок на ниобиевой фольге.

   (проф. Н. М. Яковлева, К. В. Степанова)
3. В рамках разработки технологий получения и изучения функциональных свойств нанокомпозитных покрытий на основе пористых/нанотрубчатых анодных оксидных пленок на алюминии и титане:

   • Проведена апробация различных методик получения и модификации пористых алюмооксидных матриц наночастицами ультрадисперсного γ-MnO₂. Установлено, что применение методики термического разложения перманганата калия в сочетании нанопористой алюмооксидной матрицей позволяет получить на поверхности алюминия нанокомпозитное покрытие с ультрадисперсным термостойким слоем γ-MnO₂. Методами АСМ и СЭМ показано, что тип матрицы (одноступенчатая или двухступенчатая) не влияет на размер формируемых наночастиц, который во всех случаях лежит в диапазоне от 10 до 100 нм.
   • Показано, что методика фотохимического синтеза наночастиц Ag из водного раствора AgNO₃ приводит к формированию наночастиц, размер которых меняется в достаточно широких пределах от 10 до 150 нм. Использование реакции «серебряного зеркала» приводит к формированию наночастиц Ag, однородных по своему размеру ~ 60 нм, присутствующих не только по всей поверхности, но и в порах оксидного покрытия. Кластерирования наночастиц не выявлено.
   • Получены гибридные нанокомпозитные покрытия путём модификации различных типов алюмооксидных матриц наночастицами Ag и ультрадисперсного MnO₂. Установлено, что формирование гибридных нанокомпозитных покрытий целесообразно проводить в 2 этапа. Первый этап — модификация алюмооксидных матриц ультрамелкодисперсным термостойким γ-MnO₂. Второй этап — осаждение наночастиц Ag. Выбранная последовательность осаждения наночастиц обусловлена тем, что ультрадисперсные оксиды марганца являются пористыми материалами с высокой удельной поверхностью. Последующая дополнительная модификация мезопористого диоксида MnO₂ частицами благородных металлов позволяет значительно усилить их каталитическую активность в разложении различных токсичных веществ (угарный газ, формальдегид, толуол, бензол и др.) при комнатной температуре.
   • Проведена апробация лабораторных прототипов нанокомпозитных покрытий. Результаты проверки антибактериальной активности показали, что алюмооксидные матрицы, модифицированные наночастицами γ-MnO₂ и Ag, проявляют высокую антибактериальную активность и могут быть использованы, как для очистки воздуха, так и воды с эффективностью более 70 %. Исследование состава воздуха в присутствии образцов с каталитически активным слоем в виде алюмооксидной матрицы с наночастицами диоксида марганца и серебра показали незначительное уменьшение массовойконцентрации формальдегида в воздухе, находящемся внутри климатической камеры. Следовательно, разработанный способ получения гибридных нанокомпозитных покрытий может быть перспективен для получения каталитически активных материалов для окисления формальдегида при температурах близких к комнатной.

   (доц. А. Н. Кокатев)
4. В рамках развития информационно-образовательной среды «КОМПОТ» выполнена миграция ядра аутентификации и авторизации ИОС с OpenLDAP и Kerberos на Samba, в ИОС интегрирован сервис видеоконференцсвязи OpenMeetings (доц. А. В. Соловьев).
5. Продолжена разработка комплекса автоматизации проведения геохимических исследований и документирования GeRDA: реализована автоматизированная калибровка камеры общего вида (доц. А. П. Мощевикин, доц. А. В. Соловьев).
6. На основе результатов проекта «Разработка автономной многокомпонентной самокалибруемой инерциальной системы позиционирования на базе микроэлектромеханических систем» модернизированы курсовые проекты по дисциплине «Сети ЭВМ и телекоммуникации» для студентов 3 курса и переработаны лекции по курсу «Беспроводные технологии передачи данных» (магистры 1 курса обучения) (доц. А. П. Мощевикин).

Основные результаты научной деятельности за 2020 г. по КЭиЭ

1. Создана новая архитектура нейронной сети прямого распространения с использованием детерминированных хаотических фильтров для входящих сигналов, которая позволяет экономно использовать небольшие объемы оперативной памяти и открывает перспективы для внедрения маломощных устройств в интернет вещей — LogNNet.

   • Обнаружен эффект влияния хаоса на когнитивные способности сети LogNNet. Была найдена зависимость точности классификации сети от параметра логистического отображений r. Форма зависимости коррелирует с зависимостью показателя Ляпунова λ от параметра r и указывает на важную роль хаотической динамики логистического отображения в процессе распознавания нейронной сетью.
   • Исследовано влияние интенсивности шума на число синхронных состояний N_s-системы из двух осцилляторов. Показано, что существует оптимальное значение термической связи Δopt, где наблюдается максимум N_s. Определены условия достижения N_s~150. Получены зависимости N_s от значений амплитуды шума U_n0 при трех значениях уровня связи Δ.
   • Исследована зависимость динамических пороговых характеристик переключательных элементов на основе диоксида ванадия от частоты осцилляторного контура. На основе численной модели обнаружено, что пороговые характеристики меняются из-за эффекта саморазогрева подложки в области переключателя. Предложены аналитические формулы, которые позволяют вычислить пороговые напряжения включения и выключения на основе геометрических размеров, частоты осцилляций и параметров статической ВАХ. Обнаружен переходный режим осцилляций, возникающий при включении контура или изменении частоты его работы. Представлена аналитическая формула для оценки длительности данного режима.
   • Исследован эффект синхронизации на длинные расстояния звеньев цепочки осцилляторов. Была предложена формула для вычисления синхронизации высокого порядка двух осцилляторов через синхронизацию внутренних осцилляторов. Выявлено, что синхронизация высокого порядка позволяет реализовать синхронизацию на длинные расстояния через попарную синхронизацию внутренних осцилляторов, при этом синхронизация возможна даже в случае низкой эффективности синхронизации отдельных звеньев. На базе этого эффекта предложены элементы компьютерной логики на основе осцилляторов, где в качестве логических уровней используются значения синхронизации высокого порядка. Изучена синхронизация цепочки из 100 осцилляторов. Было показано, что синхронизацией крайних осцилляторов можно управлять, меняя токи питания у любой пары внутренних осцилляторов, что может быть использовано для создания осцилляторной логики.
   • Разработана схема безконденсаторной модели VO₂-осциллятора, содержащая электрический VO₂-переключатель, полевой транзистор и VO₂ тепловой сенсор.
   • Разработана концепция резервуарных вычислений на основе системы связанных осцилляторов с использованием эффекта синхронизации высокого порядка. На основе результатов выполненных экспериментов показано, что подобная система-резервуар даже с небольшим количеством нейронов-осцилляторов имеет широкий набор динамических состояний. Эти состояния управляются токами питания осцилляторов и кодируются с помощью метрик синхронизации: отношения частот гармоник синхронизации и ее эффективность. Предложен и исследован вариант резервуарной сети, которая реализует операцию XOR и состоит из резервуара с двумя термически связанными осцилляторами, построенными на VO₂-переключателях, и выходного нейрона с пороговой функцией активации.
   • Разработана концепция ОНС с частотным кодированием, которая состоит из интегро-пороговых нейронов с переключательным элементом S-типа, двух последовательных конденсаторов, включенных параллельно переключателю, и управляющего резистора, шунтирующего один из конденсаторов. Разработаны аналитические методы расчета схем данных нейронов на основе кусочно-линейной аппроксимации ВАХ S-переключателей и законов Кирхгофа. С помощью моделирования на примере осциллятора с экспериментальной ВАХ VO₂-преключателя показано, что функция частоты импульсов от переменного сопротивления имеет сильно нелинейный (сигмоидный) вид и аномально высокую чувствительность от соотношения емкостей в схеме осциллятора. Предложены способы сопряжения резистивных датчиков (сопротивлений) с ОНС с помощью преобразователей «частота-сопротивление» на выходе нейронов цифрового, емкостного и термического типов.
   • Разработана новая концепция ассоциативной памяти в виде импульсной сети Хопфилда на основе интегро-пороговых (LIF) нейронов с частотным управлением и гибридным аналого-цифровым кодированием. Разработаны два варианта нейросетевых схем, в которых частоты импульсов нейронов управляются токами питания и переменными сопротивлениями (транзисторами). Проведен анализ динамики распознавания простых двумерных изображений в градациях серого. Предложен метод быстрого цифрового распознавания, использующий пороги перехода через нуль выходных напряжений нейронов. На основе моделирования ассоциативной памяти показано, что время распознавания на основе этого метода сравнимо с временем обработки данных с помощью известного алгоритма ADALINE для периферийных IoT-устройств. Предложена гибридная цифро-аналоговая схема модуля ассоциативной памяти, которая включает импульсную сеть Хопфилда из интегро-пороговых нейронов, блок из триггеров, которые срабатывают по порогам пересечения нуля, и выходной блок-классификатор, представляющий собой цифровой дешифратор.
   • Исследована классификация рукописных цифр из базы данных MNIST сетью Хопфилда. Показано, что сильная корреляция обучающих бинарных шаблонов не позволяет использовать стандартный метод обучения Хэбба. Применение метода обучения Сторки позволило увеличить емкость ассоциативной памяти в два раза. Предложен метод снижения корреляции обучающих шаблонов за счет увеличения относительного расстояния Хэмминга между парами шаблонов при подборе значения порога бинаризации и размера шаблонов. Установлено, что порог бинаризации имеет оптимальные значения при размере обучающего шаблона 14x14 пикселей. Использование метода Сторки и оптимальных параметров позволило получить корректную работу сети при записи 10 шаблонов. Точность классификации оптимизированной сети Хопфилда на тестовой выборке изображений составила 61,5 %.

   (доц. А. А. Величко)
2. В рамках изучения структурного состояния нанопорошка нитрида кремния методами рентгенографии и компьютерного моделирования рентгенограмм было выполнено моделирование методом Дебая. Моделирование показало, что синтезированный плазмохимически нанопорошок представляет собой аморфную, а не нанокристаллическую фазу Si₃N₄. Координационный многогранник представляет собой искаженный тетраэдр, длины связей в котором ближе к таковым для фазы α-Si₃N₄. Отсутствие соответствия координационных чисел какой-либо из рассмотренных фаз позволило предположить, что в исследованной аморфной фазе нитрида кремния мотив расположения тетраэдров отличается от такового для кристаллических фаз. По аналогии с оксидом кремния, который также характеризуется набором полиморфов с различными мотивами расположения тетраэдров, одной из вероятных можно считать модель неупорядоченной сетки. Построение модельного кластера методом молекулярной динамики с использованием потенциала Борна-Майера и анализ литературных данных позволяют утверждать, что следующим шагом работы должна быть оптимизация моделей методом функционала плотности (доц. О. В. Сидорова, доц. Л. А. Алешина, А. С. Никитин).
3. Выволнено исследовани структурного состояния кристаллов ниобата лития при гомогенном легировании их магнием в области 5 мол. %. Показано, что гомогенное легирование ниобата лития магнием вблизи пороговой концентрации приводит к заметным изменения структуры в области дефекта. Дефектность увеличивается за счёт внедрения части атомов ниобия и магния в вакантный октаэдр. При этом магний, внедряясь в вакантный литиевый октаэдр, сильнее искажает форму октаэдра, чем ниобий. Изменения в структуре кристаллов LiNbO₃:Mg происходят не только в области дефекта внедрения, но и в области основного мотива структуры: изменяются длины связей в октаэдрах основного мотива и расстояния Nb-Li вдоль полярной оси кристалла (доц. О. В. Сидорова, доц. Л. А. Алешина, А. В. Кадетова).
4. Выполнен расчет нелинейного отклика второго порядка в кристаллах LiNbO₃ стехиометрического состава. Результаты показывают, что вклад группы Li-O в оптические эффекты второй гармоники больше, чем вклад группы Nb-O. Наибольшее рассчитанное абсолютное значения компоненты тензора d33 указывает на то, что наиболее эффективное преобразование частоты происходит вдоль полярной оси кристалла (доц. О. В. Сидорова, доц. Л. А. Алешина, А. В. Кадетова, Д. А. Воробьев).