CC BY
44
• разработку учебно-методического комплекса подготовки специалистов, реализующего принцип непрерывности обучения и интеграции в единое научно-образовательное пространство.
Студенты, проходящие подготовку по направлению «Разработка высокопроизводительных вычислительных систем, математическое и компьютерное моделирование с применением суперкомпьютеров», получают основы знаний по суперкомпьютерным технологиям по учебным планам, программам, учебным пособиям, разработанным авторами или с их участием.
Авторы учебно-методического комплекса «Научное, учебно-методическое и технологическое обеспечение подготовки инженерных и научных кадров в области суперкомпьютерных технологий» являются профессорами и заведующими кафедрами ведущих вузов страны, в течение многих лет читают лекции, руководят дипломными работами студентов, научной работой аспирантов в области суперкомпьютерных технологий.
Практическая значимость учебно-методического комплекса для отраслей науки, экономики, образования:
• разработана и реализована система подготовки научных и инженерных кадров для нового, находящегося в процессе формирования направления науки и технологий - суперкомпьютеры и суперкомпьютерные вычисления;
создан учебный центр по суперкомпьютерным технологиям, который поддерживает при подготовке специалистов весь жизненный цикл по созданию, внедрению, сопровождению и эффективному использованию суперкомпьютерных вычислительных систем и высокопроизводительных вычислений;
• разработанный и внедренный подход к формированию профессиональных компетенций специалистов в области суперкомпьютерных технологий, его наполнение носят для высшей школы общесистемный характер;
• отработана и обеспечена возможность тиражирования в высшей школе разработанной технологии обучения специалистов в среде профессиональной деятельности в области суперкомпьютеров и суперкомпьютерных вычислений.
Разработанный и внедренный учебно-методический комплекс сделал возможным достижение нового системного качества подготовки специалистов по направлению «Разработка высокопроизводительных вычислительных систем, математическое и компьютерное моделирование с применением суперкомпьютеров» в интересах укрепления позиций России в области суперкомпьютерных технологий, уровень развития которых имеет стратегическое значение.
Авторы представленного в статье учебно-методического комплекса были удостоены Премии Правительства Российской Федерации в области образования за 2008 год.
Литература
1. Савин Г.И. Системное моделирование сложных процессов. М.: ФАЗИС: ВЦ РАН, 2000.
2. Мадера А.Г., Сотников А.Н. Моделирование технических систем на макроуровне: учеб. пособие. М.: Изд-во МГИРЭА, 2001.
3. Шабанов Б.М., Яицков А.С. VHDL - язык описания электронной аппаратуры: учеб. пособ. М.: Изд-во МИЭТ, 2003.
4. Овсянников А.И., Шабанов Б.М., Аладышев О.С., Опа-лев В.М., Вдовикин О.И., Захарченко А.В. Вычислительная сеть Межведомственного суперкомпьютерного центра // Изв. вузов: Электроника. № 1. 2004.
ПРИМЕНЕНИЕ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПРИ МНОГОУРОВНЕВОЙ ПОДГОТОВКЕ СПЕЦИАЛИСТОВ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОФИЛЯ
В.Ф. Корнюшко, д.т.н.; Е.В. Бурляева, д.т.н.; К.Ю. Колыбанов, д.т.н.; Д.Е. Арбенин
(Московская государственная академия тонкой химической технологии им.. М.В. Ломоносова,
агЪетпа@тйМ. ги)
Описан тренажерно-обучающий комплекс на базе имитационного моделирования процесса МОС-гидридной эпитаксии полупроводниковых гетероструктур, созданы компьютерный комплекс для изучения процессов травления твердотельных материалов и база данных по свойствам и технологическим характеристикам полупроводников. Программные продукты используются в учебном и научном процессах при подготовке бакалавров, магистров и инженеров на кафедре «Материалы микро-, опто- и наноэлектроники».
Ключевые слова: имитационное моделирование, тренажерно-обучающий комплекс, программный комплекс, база данных, МОС-гидридная эпитаксия, полупроводниковые гетероструктуры, жидкостное травление, свойства материалов.
За последние десятилетия в специальном ма- применяемых материалов за счет непрерывного териаловедении произошли качественные измене- усложнения их состава и структуры. Многообраз-ния, связанные с интенсивным расширением круга ными стали и технологические приемы для полу-
чения материалов с заданными свойствами и/или для управления процессом формирования конкретных свойств. Поэтому для решения образовательных задач в области материаловедческой и технологической подготовки специалистов требуются методы обучения с использованием технологий математического моделирования, виртуальной реальности, планирования эксперимента и т.д.
Тренажерно-обучающий комплекс
Наиболее эффективными при подготовке студентов (в данном случае химиков-технологов) зарекомендовали себя тренажерно-обучающие комплексы (ТОК), в максимально возможной степени приближенные к реальным технологическим установкам. Визуализация исследуемых процессов производится при помощи специально созданного программного обеспечения, в котором заложены математические модели процессов и реализован интерфейс для управления входными и выходными параметрами. ТОК можно использовать при чтении лекций и проведении лабораторных занятий по дисциплинам технологического профиля для демонстрации возможностей технологических установок. Кроме того, такие комплексы могут быть эффективными при подготовке операторов сложных технологических систем для приобретения необходимых и устойчивых навыков работы не на реальной установке, а с помощью компьютерной программы, что значительно экономит время и средства, особенно при обучении оператора действиям в нестандартных и опасных ситуациях.
Лидирующее положение в производстве гете-роструктур (ГС) на основе соединений типа AniBV для оптоэлектроники занимает газофазная эпитаксия с применением металлоорганических соединений (МОГФЭ). В большинстве случаев при выращивании ГС применяют металлоорганиче-ские соединения элементов III и гидриды элементов V групп периодической системы элементов, в качестве газа-носителя используют высокочистый H2. Оборудование для МОГФЭ очень сложное, дорогостоящее, требует квалифицированного обслуживающего персонала, что исключает возможность установки подобного оборудования в учебных лабораториях.
На кафедре информационных технологий Московской государственной академии тонкой химической технологии им. М.В. Ломоносова (МИТХТ) разработан ТОК на базе имитационного моделирования процесса МОС-гидридной эпитак-сии полупроводниковых ГС. ТОК создан для установки горизонтального типа «Сигмос-130», поэтому в работе использовались экспериментальные зависимости, полученные при выращивании ГС на этой установке [1]. «Сигмос-130» имеет стандартную для подобных установок модульную структуру, включающую камеру подачи и смеше-
ния газовой смеси, камеру роста (с реакторным отсеком), блоки управления и вакуумной системы. Конструкция реакторного отсека горизонтальная «планетарная»: подложки, вращаясь вокруг собственных осей, одновременно с подложкодержате-лем вращаются вокруг общей вертикальной оси. Газовые потоки, содержащие реагенты, вводятся в реактор по центру, а поток газа-носителя с остатками реагентов выходит по специальным каналам по бокам реактора.
Для написания программного кода использован язык Pascal, среда программирования - Borland Delphi. ТОК состоит из нескольких модулей, каждый из которых предназначен для выполнения определенных задач. В комплексе предусмотрены: 1) введение исходных параметров процесса с клавиатуры или с помощью кнопок программы; 2) автоматический расчет ожидаемых рабочих параметров процесса на основе заданных исходных; 3) проведение процесса в течение заданного времени с учетом стадий разгона и остановки аппаратуры; 4) имитация работы установки: динамическое изменение параметров процесса во времени с автоматическим поддержанием их колеблющихся реальных значений близкими к заданным; 5) доведение реальных параметров процесса до заданных на стадии разгона и их сброс на стадии остановки (заданные параметры могут быть изменены как перед началом, так и в ходе процесса); 6) динамическое построение графиков зависимости скорости роста и толщины эпитаксиальных слоев от времени: каждый график содержит две кривые -для расчетных и реальных значений; 7) возникновение таких нестандартных ситуаций, как неисправность линий подачи газовой смеси, полное истощение источников реагентов, использование нового источника с другим фоновым составом примесей, досрочное завершение процесса.
Задача одного из модулей состоит в построении графической модели гетероструктуры, получаемой в процессе МОГФЭ при заданных технологических параметрах. Реализуется возможность визуально наблюдать за процессом формирования ГС в ходе имитационного эксперимента и изучать закономерности изменения характеристик ГС при изменении условий роста, что более наглядно, чем описание с помощью системы числовых величин. Для лучшего изучения особенностей выращенной ГС в модуле предусмотрены такие действия с моделью и с камерой (наблюдателем), как вращение, перемещение, масштабирование и изменение освещения структуры.
Разработанный ТОК позволяет без проведения физического эксперимента выбирать температур-но-временные режимы выращивания эпитакси-альных структур заданной конструкции, оптимизировать уже используемые режимы роста, моделировать нестандартные ситуации, возникающие в ходе процесса, и способы выхода из них. ТОК ис-
пользуется при чтении лекций по курсу «Технология полупроводниковых материалов», проведении производственной практики и подготовке дипломных работ и магистерских диссертаций.
Программный комплекс для выбора условий жидкостного травления полупроводников
Жидкостное химическое травление используется в технологии полупроводниковых материалов и приборов с различными целями: для подготовки подложек и очистки поверхности структур после различных операций технологического цикла, профилирования при создании мезаструктур, исследования дефектов кристаллической структуры и пр. Как правило, применяются многокомпонентные травильные композиции на основе неорганических кислот или щелочей, содержащие окислители, комплексообразователи и добавки различного назначения.
При использовании трехкомпонентной травильной композиции подбор оптимального соотношения компонентов для решения поставленной задачи методом однофакторного эксперимента -очень трудоемкий и длительный процесс. При изменении концентрации одного из компонентов меняется не только содержание других компонентов, но и вязкость раствора и, как следствие, скорости химических реакций и диффузионных процессов доставки реакционно-активных компонентов к поверхности травления и отвода продуктов реакции обратно в объем травильного раствора. Поэтому рациональным подходом при выборе состава травильной композиции можно считать использование метода математического планирования эксперимента - симплекс-решеточного планирования (СРП). При использовании симплекс-решеточных планов не ниже 4-го порядка, которые позволяют выявить взаимное влияние компонентов травителя на процесс травления, расположение экспериментальных точек представляет {3,4}-решетку на симплексе (плоскости концентрационного треугольника, вершинами которого являются компоненты травильной композиции), а число коэффициентов в уравнении функции отклика равняется 15 [2].
Для обработки результатов эксперимента, поставленного по планам СРП, был разработан программный комплекс (ПК), позволяющий на основе ограниченного количества экспериментальных данных получать обширную информацию об условиях химического травления, подбирать оптимальный состав травильной композиции, выполнять оперативные расчеты с максимальной эффективностью. ПК написан на языке программирования Pascal в среде программирования Borland Delphi и позволяет: 1) проводить расчет коэффициентов уравнения регрессии, описывающего функцию отклика (скорость травления, степень шероховатости поверхности травления, для оцен-
ки которой целесообразно применять ранжирование, другие критерии процесса травления или качества поверхности твердотельного объекта) по экспериментальным данным, 2) проводить проверку адекватности полученного уравнения регрессии, 3) рассчитывать значения функции отклика для любой точки симплекса с заданной точностью, 4) осуществлять поиск точек на симплексе по заданному значению функции отклика, 5) проводить графическое построение линий равных значений функции отклика на плоскости концентрационного треугольника, 6) пересчитывать значения концентрации квазикомпонентов в значения концентрации исходных компонентов при работе с локальным симплексом.
ПК используется при проведении лабораторных практикумов по материаловедческим дисциплинам. В исследовательских целях ПК был успешно применен для изучения процесса травления слоев металлизации на полупроводниковых ГС GaAs/AlxGa1-xAs в трехкомпонентной травильной композиции HNO3:HCl:СНОН(СН2ОН)2 и для поиска состава травителя, обеспечивающего конкретную скорость снятия металлических слоев при формировании мезаструктур [3]. С использованием разработанного ПК осуществлялся подбор составов травильной композиции для микроструктурных исследований систем многослойной металлизации, формируемой на ГС GaAs/A^Ga^As с квантовыми ямами, а также состава полирующего травителя для обработки подложек CdxZn1-xTe при создании фотодиодов на основе твердых растворов CdHgTe [2].
БД по свойствам и технологическим характеристикам полупроводниковых материалов
На кафедре информационных технологий МИТХТ разработана и реализована многофункциональная БД, интегрирующая широкий круг справочных сведений о физических, физико-химических и кристаллохимических свойствах материалов и их значениях при различных условиях эксплуатации с возможностью получать информацию о фазовых диаграммах состояния систем, в которых образуются требуемые материалы [4]. Предложенная концепция БД позволяет проводить обобщение и систематизацию данных по свойствам материалов, а также предусматривает возможность аккумуляции сведений о новых свойствах материалов, возникающих при получении их методами нанотехнологии.
В качестве среды программирования выбрана функционально полная реляционная СУБД Microsoft Access, которая может работать как автономная система на одном персональном компьютере или как многопользовательская система в сети. БД имеет трехуровневую архитектуру: внешний, концептуальный уровень, данные на котором вос-
принимаются пользователем, и два внутренних -логический и физический, данные на которых воспринимаются СУБД и операционной системой. Структура таблиц соответствует требованиям нормализации, связи обеспечивают поддержку целостности данных. Разработан оригинальный интерфейс пользователя в виде экранных форм, удобных для первичного ввода данных, поиска по выбранным критериям, просмотра графической или текстовой информации с учетом технологии разделения данных и печати, составлены шаблоны основных выходных документов в виде отчетов, созданы модуль расчета и построения диаграмм состояния по полиномиальным уравнениям и модуль расчета и построения диаграмм «состав-свойство» по математическим зависимостям для материалов переменного состава. Для построения графического изображения линии ликвидус разработана специальная технология: для детализации диаграммы состояния используются вариант оцифровки экспериментально установленной линии ликвидус и аппроксимирующее алгебраическое уравнение для ее представления в БД.
Электронная БД, в которой собраны разнообразные сведения, находящиеся в оперативном доступе, является удобной формой предоставления справочных данных на аудиторных занятиях. При наличии локальной компьютерной сети, организованной в компьютерном классе, преподаватель с сервера может следить за тем, какие данные
и в каком объеме использует конкретный студент для выполнения поставленной перед ним задачи. Разработанная БД используется на кафедре «Материалы микро-, опто- и наноэлектроники» МИТХТ при проведении практических и лабораторных работ по материаловедческим и технологическим курсам, при написании квалификационных работ, а также в научно-исследовательской работе в области полупроводникового материаловедения.
Литература
1. Бурляева Е.В., Арбенин Д.Е. Создание программного комплекса на базе имитационного моделирования процесса МОС-гидридной эпитаксии полупроводниковых структур // Теория и практика имитационного моделирования и создания тренажеров: сб. ст. юбилейной Междунар. науч. -практич. конф. Пенза, 2007. С. 106-108.
2. Арбенина В.В., Мармалюк А.А., Арбенин Д.Е. Разработка селективных травителей для микроструктурных исследований металлизации при формировании контактов к гетеро-структурам AlGaAs/GaAs, выращенным методом МОС-гидридной технологии // Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии: тр. VI Междунар. науч. конф. (Кисловодск). Ставрополь, СевКавГТУ. 2006. С. 201-202.
3. Арбенина В.В., Мармалюк А.А., Арбенин Д.Е., Будкин И.В., Говорков О.И. Травление смесью НКО3+НС1+глицерин слоев металлизации на гетероструктурах GaAs/A1xGa1-xAs // Неорганические материалы. 2008. Т. 44. № 12. С. 1418-1424.
4. Стольникова Т.В., Колыбанов К.Ю., Арбенина В.В. База данных по свойствам и технологическим характеристикам полупроводниковых материалов // Вестник МИТХТ. 2008. Т. 3. № 4. С. 93-100.
ЭФФЕКТИВНОСТЬ БЕСПРОВОДНЫХ РЕШЕНИЙ
С.И. Бобров (Дочернее предприятие «ЭС ЭНД ТИ Украина», Киев, Украина, sb@snt.ua)
В статье описан способ анализа экономической эффективности развертывания сети беспроводного доступа исходя из параметров энергетической, частотной и информационной эффективности - технических эффективностей. Продемонстрировано влияние технических параметров радиоинтерфейса на капитальные и операционные расходы при эксплуатации сети. Приведен конкретный пример анализа эффективности варианта построения сети.
Ключевые слова: сеть беспроводного доступа, экономическая эффективность, информационная эффективность, частотная эффективность, энергетическая эффективность, кодово-модуляционная схема, MIMO, Beam-Forming, WiMAX.
В теории эволюции видов Чарльз Дарвин утверждал, что выживает не самый сильный или самый умный, а тот, кто лучше других умеет приспосабливаться. Свободная интерпретация этой фразы в приложении к современному оператору связи могла бы звучать так: «Выживают не те операторы связи, которые внедряют у себя самое дешевое или мощное решение, а те, которые внедряют наиболее эффективное решение».
В отрасли связи под эффективностью понимается не только экономическая эффективность, мерилом которой является окупаемость, но и частотная, энергетическая и информационная эффек-
тивность систем связи, далее будем называть их техническими эффективностями.
Рассмотрим экономическую эффективность развертывания сети £Е как отношение дохода (Revenue), получаемого от суммарного предоставляемого сервиса данной сетью, к капитальным (CapEx) и операционным расходам (OpEx) за данный промежуток времени (T):
Revenue-T
sF=-• (1)
Е СарЕх+ОрЕх Т
Технические эффективности можно рассматривать как исходные параметры, влияющие на
