Układy scalone z AGH w urządzeniach Rigaku Corporation, światowego lidera produkującego aparaturę badawczą

Naukowcy z AGH od lat zajmują się projektowaniem układów scalonych dla potrzeb m.in. fizyki wysokich energii, obrazowania z wykorzystaniem promieniowania X oraz neurobiologii. Wśród polskich uczelni Akademia Górniczo-Hutnicza jest absolutnym liderem w projektowaniu układów scalonych. Osiągnięcia w tej dziedzinie otworzyły naukowcom drogę do współpracy z japońską firmą Rigaku Corporation, która jest wiodącym producentem nowoczesnej aparatury do badania składu i struktury materiałów oraz kontroli jakości produktów z wykorzystaniem promieniowania X. W efekcie układy scalone projektowane na AGH znajdują zastosowanie w urządzeniach sprzedawanych na całym świecie, a ten ogromny sukces owocuje na wielu obszarach.

Mikroelektronika ze względu na zastosowanie wysoko zaawansowanych nanotechnologii, które umożliwiają niespotykaną dotąd miniaturyzację i funkcjonalność urządzeń elektronicznych, jest jedną z najbardziej dynamicznie rozwijających się dziedzin współczesnej nauki oraz zajmuje jedną z najwyższych pozycji w gospodarce światowej. Obszar jej zastosowań obejmuje nie tylko technikę, np. przemysł samochodowy, transport, energetykę, informatykę, telekomunikację, ale jest także obecna w medycynie czy inżynierii biomedycznej. Dyscyplina ta dynamicznie rozwija się również w AGH, gdzie badania nad projektowaniem układów scalonych prowadzi się na trzech wydziałach: Wydziale Elektrotechniki, Automatyki, Informatyki i Inżynierii Biomedycznej, Wydziale Fizyki i Informatyki Stosowanej oraz Wydziale Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji. Jak wynika z raportu Europractice, która  wspiera projektowanie i produkcję układów scalonych w Europie – AGH jest absolutnym liderem w projektowaniu układów scalonych wśród polskich uczelni.

Liczba projektów układów scalonych wysłanych do produkcji za pośrednictwem EUROPRACTICE:

• AGH – 125 projektów,
• Instytut Technologii Elektronowej w Warszawie – 53 projekty,
• Politechnika Warszawska – 33 projekty,
• Politechnika Gdańska – 12 projektów,
• Politechnika Łódzka – 10 projektów (źródło: EUROPRACTICE Activity Report 2015).

Prace nad układami scalonymi na Wydziale Elektrotechniki, Automatyki, Informatyki i Inżynierii Biomedycznej prowadzone są pod kierunkiem prof. dr. hab. inż. Pawła Grybosia. Zespół Mikroelektroniki z  Katedry Metrologii i Elektroniki każdego roku wysyła do produkcji kilka projektów specjalizowanych układów scalonych, co stawia AGH na czołowej pozycji również w skali Europy Środkowo-Wschodniej. Naukowcom udało się opublikować na przestrzeni ostatnich dziesięciu lat ok. 300 artykułów, w tym ponad 90 w czasopismach z tzw. listy filadelfijskiej, zrealizować 15 projektów finansowanych z Narodowego Centrum Nauki oraz Narodowego Centrum Badań i Rozwoju, MNiSW, a także 12 projektów międzynarodowych, w tym 8 z partnerami przemysłowymi.

 

Zespół Mikroelektroniki z Wydziału Elektrotechniki, Automatyki, Informatyki i Inżynierii Biomedycznej AGH

 

Jednym z ważnych obszarów działalności zespołu jest ponad 10-letnia współpraca z japońską firmą Rigaku Corporation, jedną z najważniejszych firm w skali światowej, specjalizującą się w produkcji wysokiej klasy sprzętu do potrzeb obrazowania z wykorzystaniem promieniowania X, m.in. w badaniach spektrometrycznych bądź w badaniach, których celem jest poznanie struktury materiałów. Taka aparatura znajduje szerokie zastosowanie m.in. w przemyśle farmaceutycznym, chemicznym, elektronicznym i motoryzacyjnym. Firma Rigaku Corporation działa nieprzerwanie od 1951 r., a jej główna siedziba znajduje się w Tokio. Firma zatrudnia ok. 1400 osób, które pracują w kilkunastu oddziałach na całym świecie m.in. w Japoni, Stanach Zjednoczonych i Europie, w tym również w Polsce we Wrocławiu, gdzie zlokalizowany jest oddział Rigaku Oxford Diffraction.

Naukowcy zaprojektowali dla Rigaku kilka generacji układów scalonych, np. ultra szybki układ scalony RG64 do odczytu paskowych detektorów krzemowych, czy też liczący ponad 25 milionów tranzystorów układ scalony PXD18k do szybkich pikselowych kamer promieniowania X. W oparciu o te układy scalone i ich kolejne generacje powstało kilka produktów o zasięgu światowym:

D/tex Ultra zamontowany na ramieniu dyfraktometru

 

HyPix-3000 – nowej generacji detektor pikselowy

 

HyPix-6000HE – montowany w produktach zlokalizowanej we Wrocławiu firmy Rigaku Oxford Diffraction Poland

 

Współpraca polsko-japońska rozpoczęła się od zaprojektowanego  w 2007 r. na AGH układu scalonego RG64, który firma Rigaku Corporation montowała w modułach detekcyjnych D/tex Ultra wykorzystywanych w dyfraktometrach rentgenowskich.  Układ scalony RG64 potrafił zliczać fotony najszybciej w stosunku do wszystkich układów, jakie były wówczas dostępne na świecie.

– Wprowadzenie na rynek układu RG64 do modułu D/tex Ultra skróciło czas pomiaru stukrotnie. Ponadto pozwoliło również na redukcję tła, bowiem układ ten ma możliwość wybierania fotonów o ściśle określonej energii. Część fotonów posiada inną energię – pochodzi z odbicia, procesów fluorescencji i stanowi po prostu niechciane tło – tłumaczy prof. Paweł Gryboś. – Tego typu projekty układów scalonych i badania prowadzimy również dla różnego rodzaju eksperymentów na synchrotronach w Europie Zachodniej, Stanach Zjednoczonych czy Japonii. 

Kolejnym etapem współpracy było zaprojektowanie dla Rigaku Corporation struktury dwuwymiarowego hybrydowego detektora pikselowego. W założeniu chodziło o zaprojektowanie takiego czujnika, który byłby czuły na promieniowanie X, posiadałby bardzo dobra przestrzenną zdolność rozdzielczą w dwóch wymiarach i przy tym potrafiłby zliczać ile fotonów, np. o określonej energii, uderzyło w dany piksel. Ponadto ważnym kryterium była również szybkość jego pracy. Specyfika działania takiej kamery polega na tym, że pracuje ona w trybie zliczania pojedynczych fotonów, a nie w trybie integracyjnym. W tradycyjnym obrazowaniu można przyrównać piksel aparatu fotograficznego do naczynia zbierającego deszczówkę – wówczas w trybie integracyjnym krople dodawane są do siebie, a po zakończeniu pomiaru finalna informacja dotyczy sumarycznej ilości wody w naczyniu. Z kolei w pierwszym wspomnianym trybie, krople zliczane są jedna po drugiej i można je ponadto uporządkować pod względem wielkości. Co z tego wynika? Zdjęcia wykonane w trybie zliczania pojedynczych fotonów za pomocą detektorów z AGH są dużo dokładniejsze, a przykładem mogą być zdjęcia rentgenowskie, na których można zaobserwować dużo wyraźniejszy kontrast bądź istotne detale, co może mieć istotne znaczenie np. w diagnostyce medycznej, prześwietlaniu bagaży na lotniskach, itp. W rezultacie współpracy AGH-Rigaku powstał układ scalony, który posiadał matrycę 18 tys. pikseli, przy rozmiarze pojedynczego piksela  100 x 100 mikrometrów. W pojedynczym pikselu, którego powierzchnia odpowiada przekrojowi ludzkiego włosa, znajduje się około 1400 tranzystorów, wykonujących złożone operacje analogowe i cyfrowe w przeciągu dziesiątek nanosekund. Układ był w stanie zliczać kilka  milionów fotonów na sekundę w każdym pikselu niezależnie. Co istotne, układ scalony liczący kilkadziesiąt milionów tranzystorów działa w sposób niezawodny. Wynalazek został przetestowany na różnych synchrotronach w Stanach Zjednoczonych i Japonii. Okazało się, że jest on odporny na szkodliwe promieniowanie X i w efekcie  moduły zawierające od kilkunastu do kilkudziesięciu takich układów scalonych są instalowane w kamerach promieniowania X, takich jak HyPix-3000 czy HyPix-6000HE, oferując użytkownikowi matryce zawierające kilkaset tysięcy pikseli i powierzchnie aktywne kilkudziesięciu centymetrów kwadratowych. Dzięki temu rozwiązaniu Rigaku odniosło duży sukces, gdyż oferowane kamery są bardzo szybkie, a jednocześnie potrafią redukować niechciane tło. Ponadto posiadają bardzo duży zakres dynamiczny obrazu i można je w dowolny sposób konfigurować.

Czym zajmują się obecnie naukowcy? Przede wszystkim pracują nad generacjami układów scalonych, które np. mogłyby znaleźć zastosowanie w bardzo wymagających nowych eksperymentach synchrotronowych czy w obrazowaniu medycznym.

– Tego typu układy zaczynamy stosować również na różnego rodzaju synchrotronach. Przykładowo najszybsze stosowane układy na świecie tego typu  potrafią robić zdjęcia z szybkością 20 tys. ramek na sekundę. Kiedy wykorzystamy nasze układy, możemy robić zdjęcia z szybkością trzykrotnie większą, a w określonych trybach pracy potrafimy rejestrować nawet 1 mln ramek na sekundę. Wtedy np. fizycy mogą obserwować lepiej różne procesy dynamiczne z wykorzystaniem promieniowania synchrotronowego – mówi prof. Paweł Gryboś. – Do różnego typu realizowanych projektów stosujemy bardzo zaawansowane technologie, np. technologie nanometryczne lub 3D, gdzie kilka warstw układu scalonego o różnej funkcjonalności oraz sensor łączymy wertykalnie. W takich układach piksele w czasie rzeczywistym komunikują się między sobą, a obrazy przed wysłaniem z matrycy pikseli kompresujemy. Obecnie obserwujemy również rozwój nowego kierunku badań, jakim jest kolorowe obrazowanie z wykorzystaniem promieniowania X. Jeżeli się uda, to w przyszłości znajdzie ono zastosowanie w medycynie. W przypadku promieniowania przechodzącego przez pacjenta widzimy nie tylko ile promieniowania przechodzi przez dany obszar, ale również w jaki sposób układają się energie przechodzącego promieniowania, co daje wgląd w środek danego obiektu. Na rynku są już obecne nowe generacje tomografów komputerowych, jednak póki co nie są dostępne w sprzedaży, a znajdują się w dużych instytutach amerykańskich do wstępnych badań klinicznych.

W kwietniu br. AGH miała zaszczyt gościć delegację z Japonii. Podczas wizyty Prezydent & CEO Rigaku Corporation Hikaru Shimura wraz z przedstawicielami firmy spotkał się z Rektorem AGH prof. Tadeuszem Słomką.

 

Wizyta przedstawicieli firmy Rigaku w rektoracie AGH

Naukowcy z AGH niezwykle cenią współpracę z Rigaku Corporation z wielu względów. Efektem współpracy jest kilka  wspólnych międzynarodowych patentów, w tym m.in. amerykańskie i japońskie. Na bazie opracowanych i testowanych rozwiązań powstają wspólne artykuły naukowe. Na uwagę zasługuje również fakt, iż w materiałach o swoich produktach Rigaku Corporation umieszcza informację, kto zaprojektował układy scalone – co w przypadku dużych korporacji nie jest często spotykaną praktyką. Ponadto studenci i doktoranci z AGH mają możliwość odbywania praktyk w centrach badawczo-rozwojowych w Japonii. Każdego roku uczestniczy w nich przynajmniej dwóch studentów, a w latach 2007–2017 z tej możliwości skorzystało ponad 20 osób.

Co więcej, liczne sukcesy wywołują efekt domina. Intensywny rozwój projektów z obszaru mikroelektroniki sprawił, iż w ostatnich latach pięciu naukowców z „grupy mikroelektroniki” uzyskało stopień doktora habilitowanego, a w 2014 roku udało m.in. uruchomić nowy kierunek studiów: Mikroelektronika w Technice i Medycynie. Warto podkreślić, że w AGH studenci projektują układy scalone już na studiach, co jest rzadkością nawet na uniwersytetach zachodnich. Ponadto ogromny potencjał w zakresie mikroelektroniki został dostrzeżony przez inne firmy, m.in. firma Cadence  oferuje  naukowcom najnowsze generacje swojego wyrafinowanego oprogramowania, które jest niezbędne przy projektowaniu  zaawansowanych układów scalonych, z kolei firma National Instruments nadała Katedrze Elektroniki i Metrologii AGH jako jedynemu ośrodkowi uniwersyteckiemu w Europie certyfikat Centre of Excellence. Naukowcy otrzymali wyróżnienie w konkursie „15 kreatywnych w nauce” magazynu Brief – za współpracę z Rigaku i wprowadzenie dwuwymiarowej kamery promieniowania X, a pracownicy AGH zostali zaproszeni przez Ambasadę Polską w Japonii do zaprezentowania swoich wynalazków. Kolejnym wyzwaniem jest organizacja dwóch połączonych prestiżowych konferencji w Krakowie: 49^th European Solid-State Device Research Conference oraz 45^th European Solid-State Circuits Conference, które w przyszłym roku odbędą się po raz pierwszy w Polsce. Cechą wyróżniającą tych konferencji jest fakt, że przyciągają one znaczną większość zespołów z uniwersytetów, instytutów badawczych i firm z Europy, Stanów Zjednoczonych i Dalekiego Wschodu zajmujących się  najbardziej zaawansowanymi przyrządami, materiałami oraz technologiami stosowanymi przemyśle mikroelektronicznym.

– Rozwój branży wymaga, aby projektowane przez nas układy scalone wykorzystywane w różnych systemach pomiarowych były coraz dokładniejsze i coraz szybsze. Jednocześnie musimy mieć świadomość, że na każdym etapie prac poruszamy się w obszarze szalenie kosztownych technologii. Ze współpracy z Rigaku Corporation rodzą się pomysły na nowe projekty badawcze. Firmy znają realia biznesowe, wiedzą co będzie istotne za pięć lat, a w działalności badawczej ważne jest, aby zainwestować w taki obszar badań, który po kilku latach prac przyniesie efekty, nie tylko w formie publikacji, ale również wejścia powstałych na uczelni rozwiązań na rynki światowe – podsumowuje prof. Paweł Gryboś.

Weronika Szewczyk