Streszczenie dzialalności merytorycznej

Streszczenie działalności merytorycznej
Andrzej Napieralski, Politechnika Łódzka, Katedra Mikroelektroniki i Technik Informatycznych –
(Department of Microelectronics and Computer Science – DMCS)
Moje kompetencje naukowe obejmują następujące tematy:
⇒ Wspomagane komputerowo modelowanie przyrządów półprzewodnikowych i układów
scalonych.
⇒ Termiczne modele zredukowane oraz symulacja elektrotermiczna przyrządów
półprzewodnikowych i układów scalonych.
⇒ Półprzewodnikowe przyrządy dużej mocy i układy Smart Power.
⇒ Projektowanie mikro-elektro-mechanicznych systemów scalonych.
⇒ Inżynieria biomedyczna. Analiza i przetwarzanie obrazów.
⇒ Sieci neuronowe.
⇒ Systemy mikroprocesorowe. Układy ASIC. Układy FPGA.
⇒ Analiza działania czujników piezoelektrycznych w niskich temperaturach (poniżej 2K).
⇒ Języki wysokiego poziomu opisu sprzętu VHDL i VHDL AMS.
⇒ Metody analizy wibracji i wykrywania awarii w dużych maszynach elektrycznych.
⇒ Projektowanie rekonfigurowanych układów i systemów elektronicznych oraz ich wykonanie
w technologii VLSI.
W latach 1973-1980 moje prace koncentrowały się na modelowaniu półprzewodnikowych
elementów mocy. W 1980 roku opracowałem program analizy układów tyrystorowych „PAUT” z
uwzględnieniem specyficznych zagadnień występujących w tych układach.
W czasie pobytu we Francji w latach 1983 i 1985-1991 brałem udział w opracowaniu szeregu
programów CAD związanych z modelowaniem elektrotermicznym do obliczeń temperatury w
układach półprzewodnikowych dużej mocy - dyskretnych, hybrydowych lub scalonych. Programy
zostały uruchomione na komputerze wektorowym IBM-3090 w CNRS-LAAS (Laboratoire
d'Automatique et d'Analyse des Systèmes du C.N.R.S.) w Tuluzie. W ramach kontraktu z Ministère de
la Recherche et la Technologie - "Conversion d'Energie Electrique" uruchomiłem te programy na
małych komputerach (typu IBM PC) oraz wyposażyłem je w interfejs do łatwego wprowadzania
danych i wizualizacji graficznej rezultatów w formie kompatybilnej z termografem komputerowym
HUGHES TVS-4100 używanym przy doświadczalnych pomiarach temperatury w układach
hybrydowych. Program "NAPOM - Logiciel pour l'étude thermique des circuits hybrides de
puissance" został sprzedany do firmy ALCATEL-Spain a następnie na zlecenie firmy SGSTHOMSON współuczestniczyłem w opracowaniu programu "THTHOM" do symulacji termicznej
struktur piramidalnych. Od 1986 roku pracowałem też jako „professeur associé » w INSA (Institut
National des Sciences Appliquées) w Tuluzie. Pomimo powrotu do Polski w 1991 roku, aż do 2000
roku prowadziłem w INSA cykle wykładów i seminariów, do których opublikowałem 15 skryptów
(ostatni w 1999 roku).
Po powrocie do Polski rozpocząłem prace w ramach grantów KBN. Granty [1−3,10,21]
dotyczyły analizy i projektowania elementów i układów mocy i były naturalną kontynuacją
tematyki, którą zajmowałem się we Francji. Następnie w ramach programu TEMPUS JEP - 2031 pt.
"Computer Aided Design and Engineering in Electronic Engineering Education", realizowanego w
latach 1991-1993 rozpocząłem współpracę z Instytutem Podstaw Elektroniki Politechniki
Warszawskiej nad wdrożeniem komputerowego projektowania układów elektronicznych do
programów nauczania. Następny TEMPUS JEP - 4343 pt. "Education of Computer Aided Design of
modern VLSI Circuits" realizowany w latach 1992-1995 stał się początkiem bardzo owocnej
współpracy z Instytutem Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszawskiej, w ramach
której wspólnie z AGH utworzyliśmy Centrum ADEC (Asic Design and Education Center), do
którego dołączyło również kilka innych uczelni polskich. Dalsze programy pozwoliły na utworzenie
świetnej bazy laboratoryjnej niezbędnej do prac naukowych w mikroelektronice. Podsumowaniem
tych prac było otrzymanie projektu REASON (Research and Training Action for System on Chip
Design) w ramach V Programu Ramowego UE.
Następne granty KBN [4-9] stanowiły kontynuację rozpoczętych prac w ramach programów
TEMPUS. W 1994 roku zostałem zaproszony do uczestnictwa w programie ESPRIT (European
Strategic Programme for Research and Development in Information Technology - CEC- 8173 BARMINT (Basic Research for Microsystems Integration)). W ciągu 3 lat pracy udało się nam
zaprojektować i wyprodukować termiczną mikropompę krzemową, będącą częścią mikrosystemu
scalonego, służącą do wstrzykiwania leku „on line” do ciała pacjenta oraz wyprodukować pierwszy
europejski mikrosilnik krzemowy. Dużym sukcesem był też pierwszy w historii MPW (Multi Project
Wafer) w technologii ES2 1.0μm MEMS-CMOS, zawierający projekty kilkunastu mikrosystemów
krzemowych nadesłanych przez wiodące ośrodki naukowo-badawcze z Europy i USA. (w tym
opracowany przy moim udziale projekt DMCS). Projekt nasz zawierał czujniki promieniowania
podczerwonego, przetworniki elektrotermiczne, czujniki przepływu gazu i czujniki przyśpieszenia.
Aktualnie w ramach CMP (Circuits Multi Project) czy też Europractice układy mikromaszynowe są
już się standardem.
Projekt BARMINT wykazał ogromną rolę symulacji VHDL-A w projektowaniu
mikrosystemów krzemowych. Granty KBN [11,12,16,20,29,34] były bezpośrednią kontynuacją tej
tematyki.
Następne prace dotyczyły metod projektowania i realizacji analogowych układów VLSI dla
zakresu wysokich częstotliwości [13] oraz komputerowej analizy układów elektronicznych z
zastosowaniem wielowymiarowych modeli fizycznych przyrządów półprzewodnikowych mocy [14]
i elektrotermicznej symulacji układów VLSI ze szczególnym uwzględnieniem integracji w
środowisku CADENCE [15].
Naturalnym połączeniem tematyki dotyczącej elementów mocy i układów VLSI było
rozpoczęcie prac nad układami Smart Power [24,25]
Inny wątek kierowanych przeze mnie prac to projektowanie sieci neuronowych i ich realizacja
fizyczna w postaci układów scalonych VLSI [6,23]. Zrealizowany w ramach tych prac systoliczny
procesor neuronowy z wbudowanym algorytmem uczenia znalazł zastosowanie do rozwiązania
problemu wykrywania wycieków oleju z kabli wysokiego napięcia w ramach prac z firmą Ontario
Hydro (grant NATO- Advanced computer tools for thermal analysis of power cables) a następnie
Kinectrics z Toronto (Kanada).
Następne prace, których byłem współautorem, dotyczyły opracowania metody i systemu
automatycznej analizy obrazów mikroskopowych blaszki amyloidowej w chorobie Alzheimera oraz
chorobach wywołanych przez priony [26,33]. Prace te prowadzone wspólnie z Uniwersytetem
Medycznym w Łodzi zapoczątkowały cały szereg interdyscyplinarnych prac związanych z
medycyną. Wyniki tych prac nagrodzone zostały wieloma medalami na międzynarodowych
wystawach wynalazków i zaowocowały otrzymaniem projektu British Council „Electronmicroscopic
and image analysis of the florid plaque in variant Creutzfeldt-Jakob disease”, zrealizowanego przy
współpracy z University of Edinburgh i Uniwersytetem Medycznym.
Dalsze prace z Uniwersytetem Medycznym dotyczyły opracowania nowej nieinwazyjnej
metody detekcji ryzyka niepłodności u nastolatków płci męskiej, za co zespół otrzymał złoty medal
z wyróżnieniem na 55 Światowej Wystawie Wynalazków, Badań Naukowych i Nowych Technologii
- "BRUSSELS Eureka 2005, złoty medal na Seoul International Invention 2006 i nagrodę Łódzkie
EUREKA 2007 za najważniejsze osiągnięcia łódzkich naukowców w 2006 roku.
Wykorzystując doświadczenia projektu BARMINT, przy współpracy z Instytutem Energetyki
w Warszawie rozpoczęliśmy prace nad zintegrowanymi metodami projektowania mikrosystemów
krzemowych i ich zastosowania do opracowania mikrosystemu służącego do monitoringu wibracji
dużych maszyn wirnikowych [27,30,32,35]. Prace te zostały wyróżnione wieloma medalami na
światowych wystawach wynalazków, dwoma nagrodami Ministra, dwoma statuetkami Łódzkie
Eureka za rok 2003 i 2005 i nagrodą gospodarczą Wojewody Łódzkiego w 2007 roku. Prototypowy
system został zamontowany w elektrowni „Dębe” i w elektrowni „Kozienice”.
Następne prace dotyczyły opracowania systemu monitorowania wód europejskich. Po
realizacji dwóch grantów KBN [29,30] dotyczących makromodelowania półprzewodnikowych
czujników substancji chemicznych w językach opisu wysokiego poziomu i symulacji i
projektowania scalonych przetworników analogowo-cyfrowych do zastosowań w mikrosystemach
krzemowych otrzymaliśmy projekt SEWING (System for European Water monitorING w ramach
V Programu Ramowego UE. Kontynuacją projektu był grant promotorski [34] dotyczący
modelowania zjawisk elektrokinetycznych w językach wysokiego poziomu opisu sprzętu.
Następne prace, w których współuczestniczyłem, dotyczyły opracowania analogowocyfrowego systemu do rozpoznawania mowy dla układów multimedialnych oraz do identyfikacji
osób i emocji na podstawie sygnałów mowy [27,40].
Kontynuacją prac z dziedziny przetwarzania obrazów były niedawno zakończone prace nad
rozpoznawaniem i identyfikacją osób na podstawie parametrów biometrycznych oka [39]. W chwili
obecnej wykonywane są ostatnie testy.
W ramach współpracy z UPC w Barcelonie nasz zespół rozpoczął prace nad
wysokopoziomowym algorytmem partycjonowania dedykowanym układom dynamicznie
rekonfigurowalnym z możliwością rekonfiguracji wielokontekstowej [31]. W wyniku tych prac
nasza katedra (DMCS) została zaproszona do udziału w VI projekcie ramowym UE PERPLEXUS
(Pervasive Computing Framework for Modeling Complex Virtually-Unbounded Systems Rozproszona platforma obliczeniowa do modelowania złożonych systemów pozornie
nieograniczonych), w którym pracujemy nad zupełnie nową generacją inteligentnych układów
scalonych. Prezentacja pierwszych wyników projektu na konferencji AHS (NASA/ESA Conference
on Adaptive Hardware and Systems) w Edynburgu (04-08.08.2007) zaowocowała otrzymaniem
nagrody w kategorii „Future and Emerging Technologies”.
Od kilku lat Katedra DMCS współpracuje z DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron) w
Hamburgu. W wyniku tej współpracy otrzymaliśmy VI projekt ramowy UE - CARE (Coordinated
Accelerator Research in Europe - Europejskie koordynowane badania i rozwój technologii
akceleratorów cząstek elementarnych). W ramach tego projektu otrzymaliśmy 2 granty promotorskie
KBN [37,41] i jeden grant badawczy [42] a także powstało kilka prac doktorskich. Do
najważniejszych osiągnięć należy opracowanie przez moich doktorantów metody pomiaru
odstrojenia w nadprzewodzących wnękach rezonansowych i zastosowanie elementów
piezoelektrycznych oraz magnetostrykcyjnych w temperaturach bliskich zera bezwzględnego do
jego kompensacji oraz opracowanie metod ochrony systemów operacyjnych przed skutkami
oddziaływania promieniowania. Prace te zostały wyróżnione wieloma medalami na światowych
wystawach wynalazków i dwoma nagrodami Ministra.
Podsumowując do najważniejszych osiągnięć naukowo-inżynierskich zaliczam:
1. Udział w projekcie opracowania termicznej mikropompy krzemowej i mikrosilnika
krzemowego w ramach projektu ESPRIT BARMINT.
2. Udział w opracowaniu metody i systemu automatycznej analizy obrazów mikroskopowych
blaszki amyloidowej w chorobie Alzheimera oraz chorobach wywołanych przez priony.
3. Udział w pracach nad zintegrowanymi metodami projektowania mikrosystemów
krzemowych i ich zastosowania do monitoringu wibracji dużych maszyn wirnikowych
4. Udział w konsorcjach międzynarodowych projektów naukowo badawczych Unii
Europejskiej – BARMINT, REASON, SEWING, CARE i PERPLEXUS.