Современная электроника №2 (2023)

ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ щей логики в компьютерах и промыш- Рис. 3. Объём мирового рынка микросхем стандартной логики [3] ленной электронике. Таблица 1. Влияние новых технологий на выпуск пластин Развитие технологий процессоров и контроллеров приводит к вытесне- Диаметр пластин, мм 100 150 200 300 нию микросхем логики программи- Цена пластины, $ 427,39 528,37 1043,42 2473,97 руемыми решениями, но нишей логи- 2000 1000 ки остаются применения, где важны Проектные нормы, нм 500 90 надёжность и время задержки, а так- Ширина кристалла, мм 3,0 2,1 1,5 1,0 же многочисленные функции, не тре- 3,0 2,1 1,5 1,0 бующие сложной обработки сигна- Длина кристалла, мм 9,0 4,4 2,2 1,1 ла и вычислений. На сегодня ниша Площадь кристалла, мм2 600 3095 11 061 55 924 имеет стабильные размеры, и рынки Число кристаллов на пластине 1 000 000 1 000 000 1 000 000 1 000 000 между логикой и микрокомпонентами Объём потребления чипов 1667 323 90 18 стабильно разделены. На рис. 3 пред- Объём производства пластин ставлена динамика мирового рынка Цена кристалла (не включает 0,712 0,171 0,094 0,044 микросхем стандартной логики. стоимость корпусирования) Совокупный среднегодовой темп ● но при сохранении объёмов потре- групп в случае микросхем стандарт- роста мирового рынка микросхем логи- бления чипов на уровне 1 млн шт. ной логики. ки за период 2016–2021 гг. составляет объём выпуска пластин также су- 6,4%. При этом, по данным IC Insights, щественно снижается – с серийно- Универсализация для всего мирового рынка микросхем го производства на единичный вы- микросхем стандартной тот же показатель почти вдвое выше – пуск пластин. логики 11,0% за 2016–2021 гг. [4]. Единичный выпуск пластин явля- Для универсализации микросхем Таким образом, спрос на микросхе- ется существенным ограничением логики и их импортозамещения пред- мы логики устойчив, но исторически для запуска производства, так как в лагается разработать многофункцио- сложившееся значительное разнообра- этом случае возникают дополнитель- нальные базовые кристаллы (далее – зие типономиналов ставит под вопрос ные скрытые затраты, которые трудно МБК). Проверка концепции МБК реа- экономическую эффективность разви- идентифицировать: лизуется на микросхемах логики двух тия такого направления в силу малой ● корректировка технологического типов: с 14 и 16 выводами. Доказатель- серийности. ство концепции на практике позволит процесса под выпуск единичной использовать метод МБК на широком Развитие продукции микроэлек- партии; ассортименте микросхем логики и ана- троники осуществляется двумя спо- ● замена оснастки (мишеней, фотоша- логовых микросхемах низкой интегра- собами: блонов); ции типа операционных усилителей и ● снижение проектных норм – умень- ● корректировка программ и методик массивах транзисторов. испытаний; шает площадь кристалла микросхе- ● затраты, связанные с временем про- Разработка МБК выполняется в рам- мы при одновременном повышении стоя оборудования. ках комплексного проекта «Создание энергоэффективности; В связи с этим становится невы- высокотехнологичного производства ● переход на пластины большего диа- годно выпускать единичные партии функционально конструктивных ана- метра – позволяет одновременно об- пластин – многие фабрики откла- логов микросхем малой и средней сте- рабатывать большее число кристал- дывают производство малых пар- пени интеграции», который поддер- лов микросхем. тий на неопределённый срок или жан Министерством науки и высшего Эти способы влекут за собой следу- отказывают в размещении подоб- образования Российской Федерации в ющее: ных заказов. рамках постановления Правительства ● повышение стоимости пластины с Таким образом, переход на новые Российской Федерации от 09.04.2010 кристаллами ввиду удорожания тех- технологии производства интеграль- № 218 «Об утверждении Правил пре- нологических процессов; ных схем не является оптимальным доставления субсидий на развитие коо- ● с увеличением числа кристаллов на решением для развития продуктовых перации российских образовательных пластине – снижение цены отдель- ного кристалла; ● увеличение числа кристаллов на пла- стине означает уменьшение выпуска пластин при сохранении спроса на одном и том же уровне. В табл. 1 продемонстрировано, как переход на новые технологии влияет на выпуск пластин. Таким образом, переход на новые технологии при сохранении спроса приводит к следующим последствиям: ● при переходе на новые технологии цена кристалла существенно сни- жается; СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 2 / 2023 WWW.SOEL.RU 49

ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ Таблица 2. Основные технические характеристики МБК Тип МБК Объём поля МБК, не менее, Площадь Количество Тип корпуса Диапазон Масса внешних напряжения микросхемы, не МБК Тип 1 условных вентилей кристалла, мм 401,14 питания, В МБК Тип 2 выводов, шт. 402,16 более, г 3000 1,5×1,65 4,5...5,5 5000 1,65×1,65 14 0,6 16 1,6 Рис. 4. Структурная схема МБК количеством вентилей 3000 шт. Кри- плементарных парах транзисторов и сталл МБК первого типа будет иметь имеет следующие особенности: организаций высшего образования, площадь 1,5×1,65 мм2. 1) ячейка симметрична относительно государственных научных учреждений и организаций реального сектора эко- МБК второго типа с количеством пар комплементарных транзисторов; номики в целях реализации комплекс- вентилей 5000 шт. предназначены 2) размеры транзисторов минимизи- ных проектов по созданию высокотех- для замещения микросхем стандарт- нологичных производств». ной логики с 16 выводами. Такие МБК рованы с учётом выполнения пра- 2-го типа будут иметь площадь не более вил проектирования; Разрабатываемые МБК представля- 1,65×1,65 мм2. 3) конструкция ячейки разработана с ют собой кристаллы в формате «море учётом разводимости ячеек; вентилей», логические функции Указанная площадь кристаллов МБК 4) шины подключения ячейки к источ- которых формируются через матри- 1-го и 2-го типов обеспечивает эконо- никам питания («Земля» и «Пита- цу логических элементов, а аналого- мическую целесообразность универ- ние») удовлетворяют требованиям вые характеристики, обеспечивающие сализации, а число типономиналов ОСТ В 11 0998. полное электрофизическое совпа- позволяет достичь объёмов серийно- Конструкция ячейки разработана с дение параметров, – через массивы го производства и амортизировать сто- учётом правил проектирования заво- RCL-элементов и полное совпадение имость фотошаблонов. При этом будут да-изготовителя АО «Микрон». выводов – через верхние слои метал- полностью воспроизведены техниче- Конструкция базовой ячейки поля лизации. В табл. 2 приведены основ- ские характеристики и назначение МБК позволяет реализовать в поле ные технические характеристики МБК. микросхем и осуществлено полно- архитектуру «море вентилей», удовлет- функциональное замещение устарев- воряющую критерию максимальной МБК Типа 1 реализует 101 типономи- ших компонентов. разводимости, как на уровне библио- нал логики, имеет 14 внешних выхо- течных элементов, так и с точки зре- дов, МБК Типа 2 – 54 типономинала, При проектировании конкретных ния трассировки. имеет 16 внешних выходов. Разраба- типов микросхем необходимо достичь Унифицированная периферийная тываемые МБК будут реализовывать компромисса между функциональ- ячейка «входа/выхода» МБК включа- следующий функционал: ной гибкостью и простотой реализа- ет в себя контактную площадку раз- ● мультиплексоры/демультиплексоры; ции. В микросхемах МБК применён мером 100×100 мкм, элементы систе- ● логические элементы; способ выбора функции с помощью мы защиты от электростатического ● коммутаторы; коммутаторов, которыми являются напряжения, входные каскады, вклю- ● триггеры; наборы проводников в верхнем слое чая триггер Шмитта с управляемым ● регистры; металлизации. Коммутаторы обеспе- гистерезисом, выходные транзисто- ● счётчики; чивают электрическую связь внеш- ры с управляемыми значениями тока ● сумматоры; них выводов с функцией и с линия- нагрузки от 2 до 20 мА и длительности ● шифраторы/дешифраторы; ми задержки. В состав коммутаторов фронта от 0,5 до 1,5 нс. ● арифметико-логические устройства. также входят проводники, обеспечи- Для каждого типа микросхемы вающие блокировку всех оставших- формируется уникальный шаблон При проведении оценки и пер- ся функций. Структурная схема МБК металлизации, с помощью которого вичного проектирования было уста- представлена на рис. 4. выполняется изготовление данной новлено, что микросхемы стандарт- микросхемы с использованием пла- ной логики, серийно производимые Базовая ячейка поля МБК реализо- стин МБК 1-го или 2-го типа. Такой АО «Микрон», имеющие 14 выводов, вана в виде 4-транзисторной ячейки способ является достаточно простым можно заместить одним типом МБК с с объединёнными затворами в ком- и наиболее надёжным. Оценка экономической эффективности универсализации микросхем логики Переход с проектных норм от > 1000 нм на 180 нм позволит в разы увеличить число кристаллов на пла- стине. Повышение серийности при- ведёт к росту коэффициента выхода годных и универсализации процессов функционального контроля и сборки 50 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 2 / 2023

ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ микросхем. Объём складских запа- ● Представлены два типа МБК в фор- ния электронной компонентной базы сов продукции, который, как прави- мате «море вентилей» – для замены // Вооружение и экономика. 2019. ло, поддерживается для малосерийных микросхем на 14 выводов (тип 1) и № 1 (47). микросхем, может быть уменьшен на 16 выводов (тип 2). 2. Отчёт исследования российского рынка порядки. электронных компонентов 2016–2022 // ● Показана экономическая эффектив- ООО «СовЭл». Выводы ность универсализации микросхем. 3. Статистика IC Insights. 4. URL: https://www.icinsights.com/news/ ● Дано краткое описание рынка ми- Литература bulletins/Semiconductor-Sales-To-Rise-At- кросхем стандартной логики. 71-CAGR-Through-2026/. 1. Б оков С.И.,П одол ьский А.Г. Структу- 5. Отчёт IC Knowledge: IC Cost and Price ● Проведена оценка развития микро- ра экономической модели выполне- Model. схем стандартной логики. ния опытно-конструкторской рабо- 6. URL: http://www.silicon-edge.co.uk/j/index. ты по созданию радиоэлектронной php/resources/die-per-wafer. ● Представлен метод универсализа- аппаратуры в условиях реализации ции производства микросхем логи- задач унификации и импортозамеще- ки с помощью МБК. НОВОСТИ МИРА Сообщено о технологии рить условия жизни и быта престарелых 6 млрд евро инвестиций, чтобы создать слежки за людьми или идентифицировать подозрительную коммерческую установку для её приме- с помощью Wi-Fi-роутера активность в доме». нения. В ней капли расплавленного оло- ва дважды облучаются лазером – сна- Исследователи из университета Карне- Издание отмечает, что разработки тех- чала для придания им формы блина, а ги-Меллон (Carnegie Mellon University) раз- нологий наблюдения за людьми в поме- потом для его испарения. В результате работали метод распознавания трёхмер- щениях без использования дорогостоя- получается микрооблачко плазмы, кото- ного образа и движений человеческого щих видеокамер или лидаров ведутся дав- рое испускает EUV-свет с нужными пара- тела в комнате с помощью Wi-Fi-роутера, но. Так, в 2013 г. группа исследователей из метрами. Процесс происходит с частотой сообщает vice.com. MIT обнаружила способ «смотреть сквозь 50 000 раз в секунду. стены» с помощью сигналов сотовых те- лефонов; в 2018 г. другая команда из MIT использовала Wi-Fi, чтобы находить лю- дей в соседней комнате и передавать их движения в схематичном виде. industry-hunter.com Для этого они использовали систему Huawei совершила прорыв Данная технология предельно засекре- DensePose, предназначенную для «кар- в печати микрочипов чена, доступ к ней имеют лишь пять ком- тографирования» пикселей на поверхно- и обошла санкции США паний во всём мире: Intel и Micron в США, сти тела человека, изображённого на фото. Samsung и SK Hynix в Южной Корее и TSMC На этой основе была разработана нейро- Компания Huawei запатентовала техно- на Тайване. Другие производители, такие сеть, привязывающая фазы и амплитуды логию преобразования ультрафиолетово- как Huawei, ранее просто заказывали изго- Wi-Fi-сигналов, отправляемых и принима- го света для устранения искажений из-за товление чипов у TSMC, но после наложе- емых роутером, к координатам на челове- интерференции при работе на предельно ния санкций США эта возможность стала ческом теле. малых длинах волн. Эта разработка позво- недоступной. Повторить технологию чрез- ляет ей использовать 10-нанометровый вычайно сложно, потому что необходимое Авторы из Карнеги-Меллон пишут, что процесс для самостоятельной печати ми- EUV-излучение балансирует на границе УФ верят в то, что Wi-Fi-сигналы «могут слу- крочипов. И тем самым не просто обойти и рентгеновского спектра. жить универсальным заменителем» обыч- санкции США, а бросить вызов всей ин- ных видеокамер, когда речь идёт об обна- дустрии производства данных устройств. Однако инженеры Huawei сумели най- ружении людей в помещениях. При этом ти выход, применив систему зеркал для Wi-Fi-сигналам, в отличие от камер, не тре- Экстремальная ультрафиолетовая (EUV) борьбы с эффектами интерференции. Ис- буется, чтобы в комнате было достаточ- литография настолько сложна, что нидер- ходный луч разделяется на «подлучи», ко- но света или отсутствовали физические ландской компании ASML (мировой лидер торые передаются на микроскопические преграды между ними и объектами на- в области EUV-литографии. – Прим. ред. зеркала с индивидуальными параметра- блюдения. Техкульт) потребовалось 17 лет и более ми вращения. Это позволяет регулировать интерференционные эффекты для их вза- Занятно, что исследователи позицио- имной нейтрализации и в результате скла- нируют свою технологию как прогресс в дывать все «подлучи» в единый луч с нуж- деле защиты конфиденциальности, при- ными для EUV-литографии свойствами. водя следующие аргументы: «Технологию можно масштабировать, чтобы монито- techcult.ru СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 2 / 2023 WWW.SOEL.RU 51

ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ Разработка портативного устройства и комплекса программ для тестирования и настройки многофункциональных аварийных вычислителей-регистраторов Андрей Васенев ([email protected]) ● загрузка диагностических журна- лов на внутренний накопитель Многофункциональные аварийные вычислители-регистраторы устройства; используются для регистрации параметров состояния поезда метрополитена и являются комплексными изделиями. В процессе ● автоматический анализ загружен- их тестирования и настройки применяется специализированное ных диагностических журналов; ПО и внешние аппаратные средства, однако некоторые процессы взаимодействия с регистратором могут быть автоматизированы ● выгрузка диагностических жур- и реализованы в отдельном портативном устройстве. В статье налов с накопителя устройства описывается разработка и реализация такого устройства и комплекса на ПК; программ для его работы. ● установка точных даты и времени в Введение ничивается возможностью счи- регистратор при помощи GPS; тывания записанных данных и Многофункциональный аварийный применяется также для считыва- ● предоставление человеко-машинно- вычислитель-регистратор произво- ния диагностической информации го интерфейса для взаимодействия дится АО «НИИВК им. М.А. Карцева» и настройки. Для решения таких с устройством. и представляет собой малогабарит- задач используется специализиро- В качестве платы центрального ное бортовое устройство, предназна- ванное ПО. ченное для регистрации параметров микроконтроллера устройства была состояния поезда метрополитена и Проектирование устройства выбрана Raspberry Pi Pico с 26-кон- сохранения зарегистрированной тактным интерфейсом ввода/вывода информации в рабочих и аварий- При анализе процессов такого вза- (GPIO), поддерживающая такие про- ных условиях. Регистратор рассчитан имодействия с регистратором были токолы, как SPI, I2C и UART. Отли- на применение в головных вагонах выявлены задачи, нуждающиеся в чительной особенностью платы по поездов метрополитена и применя- автоматизации, и методы, которые сравнению с прочими решениями ется совместно с прочими системами могут быть усовершенствованы, – является встроенная поддержка регистрации данных, которые обе- это задача анализа диагностиче- программирования контроллера на спечивают считывание, обработку, ских журналов, формируемых встро- языке MicroPython. Это интерпрети- долговременное хранение и отобра- енной программой регистратора и руемый язык с синтаксисом стан- жение зарегистрированной инфор- используемых на некотором эта- дартного языка Python, созданный мации. пе их тестирования, а также метод специально для работы на микро- установки актуальных даты и вре- контроллерах. Язык прост в освое- Регистратор выполняет следующие мени. Для сокращения времени нии и позволяет быстро и эффек- основные функции: тестирования многофункциональ- тивно разрабатывать как прототипы ● принимает сигналы, характеризую- ных аварийных вычислителей- программ, так и финальные сборки. регистраторов и совершенствования Объём и читаемость исходного кода щие значения параметров состояния метода установки даты и времени программных модулей значительно поезда, и переводит их в цифровую было разработано и впоследствии снижает сложность программирова- форму в соответствии с заданными реализовано портативное устрой- ния, снижая вероятность допуще- правилами; ство, а также комплекс программ. ния ошибок и повышая тем самым ● записывает принятые данные в на- В комплекс программ входит встро- надёжность и качество работы пор- копитель; енная программа работы устройства тативного устройства. ● отображает своё состояние и состо- и прикладная программа, предна- яние входных каналов при помощи значенная для обмена данными с Многофункциональность устрой- светодиодных индикаторов; устройством через персональный ства обусловливает использование ● обеспечивает возможность считы- компьютер (ПК). нескольких модулей, подключае- вания записанных данных в персо- мых к плате центрального микро- нальный компьютер (ПК) при его Устройством решаются следующие контроллера, а именно: модуля часов подключении к регистратору посред- задачи: реального времени, модуля канала ством интерфейса Ethernet. ● проверка наличия соединения с ре- Ethernet, модуля GPS и модуля бес- При этом использование подклю- прерывного питания. В качестве вну- чённого к регистратору ПК не огра- гистратором; треннего накопителя устройства была выбрана карта памяти MicroSD, размещающаяся в соответствующем слоте на плате памяти. Для эффек- 52 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 2 / 2023

ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ тивного взаимодействия с устрой- Разработка комплекса директорию на ПК, а также открыть ством было решено использовать программ окно настройки параметров взаимо- OLED-дисплей с небольшой диаго- действия с устройством. Программа налью и индикационные светоди- В состав разработанного ком- написана на объектно-ориентиро- оды; для управления устройством плекса программ, как было сказано ванном языке C# с использованием применяются две тактовые кнопки выше, входят встроенная программа интерфейса программирования при- и переключатель питания. и прикладная. Встроенная програм- ложений Windows Forms. ма представляет собой интерпрети- Проектирование руемый код на языке MicroPython Реализация проекта интерфейсной печатной и предназначена для загрузки в платы портативное устройство для обе- По окончании разработки устройства спечения решения им всех постав- и закупки всех необходимых вычисли- При анализе состава устройства вза- ленных задач. Архитектура про- тельных модулей был создан макетный имодействия с регистратором было граммы представляет собой набор образец, который использовался в про- решено спроектировать интерфейс- программных модулей, разделён- цессе разработки и отладки комплек- ную печатную плату, выполняющую ных по назначению: са программ. следующие задачи: ● считывание и обработка сигнала ● обеспечение электрического соеди- По завершении программирова- GPS; ния и изготовления интерфейсной нения модулей и платы центрально- ● обмен данными по каналу Ethernet; печатной платы был собран и проте- го микроконтроллера; ● автоматический анализ диагности- стирован демонстрационный обра- ● крепёж модулей и элементов чело- зец устройства. После завершения веко-машинного интерфейса. ческих журналов регистратора; этапа проектирования и изготовле- При проектировании взаимного ● обработка действий оператора и ото- ния корпуса портативное устройство расположения модулей и элементов может быть применено на предприя- устройства определяющими фактора- бражение информации; тии АО «НИИВК им. М.А. Карцева» ми стали их габаритные размеры и ● передача команд отображения на для тестирования и настройки много- возможности по подключению. При функциональных аварийных вычисли- создании эскиза расположения ком- дисплей; телей-регистраторов, повысив эффек- понентов устройства в первую оче- ● чтение и запись на карту памяти тивность работы отдела встраиваемых редь использовалась документация электронных систем. на компоненты от производителя- MicroSD; поставщика. Были определены общие ● считывание уровня заряда аккуму- Литература габаритные размеры проектируемой печатной платы. лятора и потребляемого тока; 1. Документы по САПР Delta Design: Печатная плата была спроектиро- ● главный цикл работы портативно- [Электронный ресурс] // URL: https:// вана с использованием отечествен- www.eremex.ru/knowleage-base/ ной САПР Delta Design компании го устройства. delta-design/docs/ (дата обращения: Eremex. Была создана библиотека При включении устройства запуска- 21.03.2022). используемых в устройстве компо- ется главный цикл работы, который нентов, разработаны принципиаль- абстрагирован от деталей реализации 2. Лапин А.А. Интерфейсы. Выбор и реали- ная схема и непосредственно интер- конкретного физического модуля или зация. М.: Техносфера, 2005. 168 c. фейсная печатная плата. В процессе функционала и оперирует высокоуров- формирования библиотеки компо- невыми методами, предоставляемы- 3. Макконнелл С. Совершенный код. Мастер- нентов использовалась документа- ми прочими программными моду- класс / пер. с англ. СПб.: БХВ, 2018. 896 c. ция (даташиты) на компоненты и лями. На дисплей выводится меню ГОСТ 2.743-91 единой системы кон- возможных действий с устройством, 4. Одуан К. Измерение времени. Основы структорской документации «Обозна- переключение и выбор пунктов меню GPS / К. Одуан, Б. Гино. М.: Техносфера, чения условные графические в схе- осуществляется тактовыми кнопками. 2002. 400 c. мах». При разработке электрической По окончании выполнения выбран- схемы применялся ГОСТ 2.702-2011 ной функции на дисплей выводится 5. Резонит – Технологические возможно- единой системы конструкторской сообщение о результате, сопровожда- сти производства: [Электронный ресурс] документации «Правила выполне- емое соответствующим светодиодом. // URL: https://www.rezonit.ru/directory/ ния электрических схем». При про- На протяжении всего сеанса работы tekhnologicheskie-osobennosti-proizvodstva/ ектировании печатной платы были устройства работают светодиод уров- (дата обращения: 04.04.2022). учтены ограничения технологиче- ня заряда и статуса аккумулятора ских возможностей будущего изго- (> 15% заряда,  15% заряда, заряжает- 6. Требования к проектированию печат- товителя печатной платы – компа- ся), а также светодиод, сигнализирую- ных плат: [Электронный ресурс] // URL: нии «Резонит» с производственной щий об актуальности времени, отсчи- https://gostost.ru/pechatnie-platy/ (дата линией в г. Москве. тываемого в устройстве. обращения: 05.04.2022). Спроектированная печатная плата Прикладная программа представ- была экспортирована в формате произ- лена в виде меню взаимодействия с 7. MicroPython: [Электронный ресурс] // водственных Gerber-файлов и направ- подключённым по USB устройством, URL: https://micropython.org/ (дата обра- лена на изготовление. открывающимся через системный щения: 26.04.2022). трей ОС Windows. Прикладная про- грамма позволяет выполнить про- 8. Raspberry Pi Documentation: [Электронный граммное подключение и отключение ресурс] // URL: https://www.raspberrypi. портативного устройства, загрузку com/documentation/microcontrollers/ диагностических журналов с нако- rp2040.html (дата обращения: 15.02.2022). пителя устройства в выделенную 9. Waveshare Wiki: [Электронный ресурс] // URL: https://www.waveshare.com/wiki/Main_ Page (дата обращения: 24.02.2022). СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 2 / 2023 WWW.SOEL.RU 53

ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ Причины температурного перегрева электронных компонентов и пути инженерных решений Антти Эс элемента и на кристалле будет разни- ца температур. На микроуровне нагрев Ошибки в конструкторских и инженерных расчётах могут стать вызывает деградацию, а также дефор- причиной температурного перегрева РЭА, что приводит к ненадёжности мацию материала. Микротрещины и отказам устройств. Поэтому разработчики рекомендуют как результат расширения материала разрабатывать корпус устройства с запасом свободной площади и способствуют изменению физических габаритов, чтобы увеличить тепловой поток и уменьшить тепловое свойств материала из-за воздействия сопротивление. В статье рассматриваются факторы влияния тепла. Это обстоятельство важно и для «внутренней» и внешней температуры на надёжность РЭА и способы проводящих ток материалов, таких как уменьшения перегрева электронных компонентов. соединительные дорожки на печатной плате. На макроуровне влияние перегре- Независимо от причины перегрева большим, приближённым к критич- ва отражается отказом РЭА ввиду дегра- основным и главным следствием пере- ному, током в электрической цепи дации составляющих их компонентов, грева электронного компонента являет- коммутации; корпус SET нагревался, цикла причинно-следственных связей и ся его повреждение. Повреждение, отка- но непропорционально, и был сделан сопутствующих эффектов. Воздействие зы в работе электронных элементов, как вывод о том, что температура централь- перегрева на электронные компоненты правило, – потенциальное и прямое ного электрода SET остаётся конечной, как на микроуровне, так и на макроу- следствие температурного перегрева. поскольку детерминированный током ровне увеличивает риск неисправности Современные устройства с микропро- электрон преодолевает барьер из-за РЭА. Но каковы методы предотвраще- цессорами склонны к перегреву в свя- накопленной потенциальной энергии. ния перегрева или уменьшения негатив- зи с тем, что физические размеры ком- Это туннельный эффект. Так темпера- ных последствий чрезмерного нагрева? понентов и корпусов стали меньше. Это турный нагрев вызывает циклическое касается как дискретных элементов, так взаимодействие между электронами. Некорректно рассчитанное значение и интегрированных схем, и в особенно- рассеяния мощности электронного ком- сти, если компонент по своим расчёт- Чем больше электронов движется в понента может провоцировать нагрев ным характеристикам не выдерживает участке полупроводника, к примеру, тон- даже у конденсаторов, а на микроуровне чрезмерного нагрева корпуса. Перегрев кой кремниевой пластине с тысячами эффект проявляется в местах, где име- может быть результатом прямых и кос- кристаллов, тем больше электронов рас- ет значение изменение ёмкости участ- венных, а также внутренних и внешних сеивает фононы – квазичастицы, квант ков передачи тока (энергии). Так, услов- воздействий на электронные компонен- энергии согласованного колебательно- но чрезмерное рассеивание мощности ты. Это обусловлено различными фак- го движения атомов твёрдого тела, обра- приводит к повышению температуры торами. Тенденция к уменьшению раз- зующих идеальную кристаллическую на участке вокруг элемента, что приво- меров корпусов, связанная с прогрессом решётку. Такое рассеяние препятствует дит к превышению ёмкости переходов в строении кристаллов, обозначившим- уносу тепла фононами. Отсюда – выделе- полупроводников, изменяется коэффи- ся ещё в ХХ веке, – одна из таких при- ние тепла. В насыщенном компонента- циент передачи тока и быстродействие. чин, но не единственная. ми электронном устройстве увеличива- Другая причина – ток утечки. Относи- ется восприимчивость к перегреву ввиду тельно высокий ток утечки способствует Влияние конструктивных снижения вытяжки теплового потока. повышению температуры конденсато- характеристик электронных ра, как и старение (со временем) мате- компонентов на их Нагрев отдельного электронного риалов, из которых изготовлен элемент надёжность компонента происходит под воздей- РЭА; оксидный слой изменяется со вре- ствием следующих факторов: менем в том числе под воздействием Существует взаимосвязь между ● тепловое сопротивление между по- температуры. Воздействие критичного электрическими и конструктивными уровня тока и напряжения на обклад- характеристиками, включая расчётный лупроводниковым кристаллом и кор- ках конденсатора приводит к нагреву срок службы электронного компонен- пусом прибора; элемента. Отчасти поэтому опытный та с диапазоном рабочих температур, ● тепловое сопротивление между кор- мастер в некоторых простых ситуациях поскольку большинство электронных пусом прибора и охладителем; может выявить неисправный элемент компонентов при воздействии элек- ● тепловое сопротивление между ох- (блок) или электрическую цепь, в кото- трического тока выделяют тепло. В экс- ладителем и окружающей средой. рой он взаимодействует, тактильным и периментах [2] наблюдались эффекты Так, возникновение и движение визуальным осмотром. Обычно силь- перегрева одноэлектронного транзи- теплового потока через полупроводни- но нагревающийся дискретный элемент стора SET после воздействия условно ковый кристалл в окружающую среду функционирует вне рабочего режима. вызывает изменение температуры кор- пуса элемента; на поверхности корпуса 54 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 2 / 2023

ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ Эти особенности «умножаются» на с перфорацией корпуса РЭА, а с прину- В обычных условиях с учётом элек- количество компонентов в устройстве дительным внутренним охлаждением трического сопротивления 1 м провода и являются нежелательными фактора- компонентов и, возможно, с примене- (в Ом), сечением 1 мм², при температу- ми риска для надёжности электрон- нием модулей жидкостного охлажде- ре +20°С серебро имеет удельное сопро- ного оборудования. Установить же ния или (как вариант) на элементах тивление 0,015, медь 0,0175, золото 0,023. индивидуальный охладитель к каждо- Пельтье – для соблюдения баланса Так, удельное сопротивление слитка му компоненту в условиях навесного температурного режима внутри кор- чистого золота вдвое ниже, чем у позо- монтажа затруднительно. Существуют пуса. В этом случае вариантом техни- лоченного слитка вольфрама. Разуме- обоснованные решения охлаждения ческого решения служат вентиляторы и ется, применение посеребрённых про- модулей – с применением микровенти- решетки с фильтрами для обеспечения водников удорожает себестоимость ляторов (снабжённых устройством кон- снижения температуры и компенсации конструкции, но и повышает надёж- троля температуры) для отвода тепла. выделяемого от оборудования тепла. ность устройства: чем меньше удель- Это современное направление совер- ное сопротивление, тем меньше нагрев шенствования инженерной мысли в Влияние температуры участка. При ничтожно малых значени- области термомоделирования. на материалы ях тока в микропроцессорной техни- ке сие не так критично, как в силовых Влияние факторов среды Восприимчивость электронного модулях управления мощной нагрузкой. устройства (модуля) к отказу экспо- Факторы окружающей среды  так- ненциально возрастает с температу- Перегрев создаёт поверхность уста- же приводят к перегреву оборудова- рой. Кроме того, разработчику РЭА важ- лостного разрушения медных проводов. ния. Относительно высокая темпера- но учитывать специфические эффекты Это означает, что чрезмерное нагревание тура вокруг РЭА может способствовать перегрева проводящих ток материалов может вызвать непосредственно замет- внутреннему перегреву элементов на основе меди; это наиболее популяр- ное физическое воздействие на конкрет- устройства, особенно при длитель- ный материал в сегменте конструкций ный материал. В случае проводящих ном воздействии; так могут менять- с электронными компонентами без осо- материалов, таких как медь, есть фактор ся свойства электронных элементов, бых требований к надёжности. Посколь- «усталостного разрушения», отрицатель- особенно их электрические характе- ку есть пути дорогостоящих решений, но влияющий на физические свойства ристики и проводимость. К примеру, оправданных при требованиях повы- и целостность проводящего материала. «неправильное» длительное хране- шенной надёжности РЭА, сей вопрос На условно перегретом участке образу- ние «интеллектуального» зарядного остается вариативным, дискуссионным, ются микротрещины, что приводит к устройства (авторский опыт) без под- в зависимости от задачи разработчика. увеличению сопротивления, а на участ- ключения питания в «сухом» поме- Понятно, что для военпрома (контроля ках с большим током – к дополнительно- щении с недостаточной влажностью качества военной приёмки) и космиче- му нагреву, искрообразованию, ведуще- воздуха рядом с батареей централи- ской техники требования будут отли- му к недопустимому возгоранию. Кроме зованного отопления привело к нару- чаться от предъявляемых, к примеру, того, сплавы для пайки компонентов шению свойств конденсаторов сетево- к бытовой технике даже высокого уров- или микроэлементов внутри него под- го фильтра, оксидных конденсаторов в ня интеграции электронных компонент. вержены изменению характеристик при блоке преобразователя напряжения и, относительно высокой температуре. как следствие, последующему ремон- Тем не менее имеет значение удель- ту. Надлежащее хранение РЭА в усло- ное сопротивление проводников, мате- Ещё один фактор, который важно виях консервации – ещё один важный риал проводников, в частности, выбор принять во внимание, – коэффици- фактор обеспечения их надёжности в материала для дорожек на миниатюр- ент теплового расширения матери- длительной эксплуатации. Но и услов- ных печатных платах. ала, ведущий при неблагоприятных но высокое содержание влаги в окру- обстоятельствах к структурной дефор- жающем воздухе приводит к перегре- Зависимость сопротивления от дли- мации корпуса электронного компо- ву эксплуатируемой РЭА; невидимые ны (L) и площади (S) поперечного сече- нента из керамики, сплавов лёгких глазу человека микроиспарения под ния проводника, а также материала металлов, композитной пластмассы воздействием нагрева корпусов элек- проводника впервые определил Георг и др. Условно большое тепловое рас- тронных компонентов, особенно в усло- Ом. В международной системе еди- ширение приведёт к деформации кон- виях повышенного пылеобразования, ниц удельное сопротивление ρ выра- струкции корпуса. Структурная дефор- неблагоприятно влияют на загрязне- жается формулой: ρ = RS/L. По этой мация дополнительно приводит к ние проводников, контактных площа- же формуле определяется связь между термическому напряжению, влияюще- док, что может привести к разрушению электрическим сопротивлением про- му на целостность и надёжность ком- элементов конструкции. Отсюда ещё водника R и его удельным сопротив- понента. Проблема усугубляется там и более актуализируется вопрос разработ- лением ρ. Величина электропроводи- тогда, когда техническое задание и ТУ, ки корпуса для конкретного устройства мости определяется способностью тела рекомендованные разработчиком РЭА, с учётом условий будущей эксплуата- (среды) проводить электрический ток. не конкретизируют материалы корпу- ции. К примеру, в условиях повышен- В единицах измерения сименс (См) она сов электронных компонент конкрет- ного пылеобразования окружающей обратна электрическому сопротивле- ной разработки, ибо разные корпуса среды, и особенно в труднодоступных нию: g = 1/R. Под воздействием элек- по-разному меняют конструктивные для регламентных работ местах уста- тромагнитного поля и свойственных характеристики от теплового расшире- новки РЭА, уместным будет то решение ему явлений, возникающих при про- ния и структурной деформации из-за по теплоотведению, которое связано не хождении переменного тока в прово- воздействия высоких уровней тепла. дниках, значение также имеет часто- Одно из современных решений – улуч- та переменного тока и ЭМ-колебаний. СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 2 / 2023 WWW.SOEL.RU 55

ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ шение термомоделирования при разра- уместно рассматривать конструкции с вых трубок. К примеру, такова попу- ботке конструкции корпуса РЭА. В дан- двойным корпусом. Конструкция кор- лярная конструкция из алюминиево- ном случае при разработке электронной пуса состоит из двух частей: внутренняя го радиатора и основания с медными конструкции уместно опираться на еди- часть с объёмной перфорацией по всему трубками, напоминающими иголки ный тип «корпусного» исполнения. контуру для свободного потока охлаж- ежа. Такая технология хорошо отво- дающего воздуха; наружный корпус – дит тепло за счёт относительно боль- Особенности решений декоративный, с перфорацией только шого объёма поверхности теплоотво- по теплоотведению на задней стенке. Один из возможных дных трубок и расстояния между ними, и термостабилизации вариантов проиллюстрирован на рис. 2. заполняемого воздушными потока- ми. Кроме того, конструкция занима- Электронное устройство типично Зазор между внутренним и внешним ет небольшой объём, не создаёт шума состоит из корпуса и внутренних ком- декоративным корпусом обеспечивает и не требует обслуживания. понентов, выделяющих тепло в рабо- беспрепятственную конвекцию. Охлаж- чем режиме эксплуатации. Тут скрыт дение за счёт теплопроводности осно- В каждом конкретном случае моде- конфликт: разработчики стремятся вано на фиксированном контакте всей лирования на пути к серийному про- уменьшить корпус (так дешевле и соот- поверхности – металл с металлом. Так, изводству оборудования разработчик ветствует тенденции в микроэлектрони- тепло от нагреваемых компонентов за рассматривает разные типы теплоотве- ке, что определяется также рыночной счёт теплопроводности передаётся на дения: естественную конвекцию, при- конкурентоспособностью устройства), а внешние поверхности теплоотводящих нудительное охлаждение с помощью компактный корпус в принципе затруд- кожухов [8]. Чтобы справиться с про- вентиляторов и модульные системы няет отвод тепла. Простой способ отвода блемой отвода тепла и дополнитель- жидкостного охлаждения. Главная же тепла – метод воздушного охлаждения за но защитить печатную плату от помех, задача – обеспечить надёжность рабо- счёт теплоотводов и особенно вентилято- уместно использовать на одной из плат ты модуля и устройства в постоянном ров. Однако при условно малой стоимо- составной экран, выполняющий сра- режиме в течение нескольких лет, сти метод не лишён недостатков, таких зу два назначения – отвод тепловых в соответствии с расчётными значени- как высокое тепловое сопротивление, потоков и защита от электромагнит- ями наработки до отказа. низкая температура окружающей сре- ных помех. Такой экран соединяется с ды, возможное увеличение уровня шума – «общим» проводом оборудования или Особенности определений при использовании принудительной вен- заземляющим контуром. наработки до отказа РЭА тиляции. Кроме того, не всегда возможно задействовать принудительное или есте- Дополнительным фактором тепло- В 2017 году в России вышел обнов- ственное конвекционное охлаждение, а отведения в конструкции корпуса лённый ГОСТ 27.002-2015, где термин именно: для конструкций с высокой сте- РЭА из алюминиевого сплава являет- «средняя наработка на отказ» переи- пенью защиты от пыли и влаги, для необ- ся его рельефность. Простым способом менован в «среднюю наработку между служиваемых, неразборных корпусов или рельефность обеспечивают с помощью отказами» для большей идентичности тех, что устанавливаются в труднодоступ- фрезерования участков корпуса. К при- с переводом оригинального термина ных местах. меру, можно создать выемки на корпу- «Mean time between failures» (MTBF). се под соответствующие места, где на В 2022 году введён в действие ГОСТ Поэтому для охлаждения компонен- плате смонтированы наиболее тепло- 27.102, отменивший действие ГОСТ тов РЭА создают конструкции, когда излучающие элементы. Также хоро- 27.002-2015, и теперь использование алюминиевый корпус устройства явля- шему теплоотведению способствуют обоих терминов: «средняя наработка ется теплоотводящим фактором. Допол- паранитовые прокладки (специальные, между отказами» как универсальный нительная перфорация, в том числе в с высоким коэффициентом теплопро- показатель для всех видов распреде- донной части корпуса, улучшает эффект водности) и термопаста. Очень важно ления и «средняя наработка на отказ» теплоотведения. Иллюстрация вариан- обеспечить надёжный, по всей поверх- для случая экспоненциального распре- та корпуса представлена на рис. 1. ности, контакт между корпусом, экра- деления уместно. Среднее время нара- ном и нагревающимися электронны- ботки на отказ РЭА – прогнозируемое Чтобы увеличить естественную кон- ми компонентами. время между отказами электронных векцию воздуха, добавлены отверстия (или даже механических) элементов на боковых и верхних гранях корпуса. Вернёмся к типичному, класси- системы приводящих систему в нера- Причём распределение воздушных пото- ческому варианту корпуса для РЭА, бочее состояние. Термин использует- ков при горизонтальном и вертикальном представленному на рис. 1. Допол- ся для пригодных к ремонту систем, положении корпуса оказалось разным. нительно повысить эффективность и в то время как среднее время до отка- ускорить процесс охлаждения можно за (MTTF) обозначает ожидаемое вре- Как вариант, в устройствах с есте- за счёт охлаждения с помощью тепло- ственной конвекцией при охлаждении Рис. 1. Корпус из алюминиевого сплава с перфорацией Рис. 2. Конструкция с двойным корпусом 56 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 2 / 2023

ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ Ag Из помещения A –A В помещение 3 1 3 5 2 5 5 3 2 66 4 В атмосферу 7 Из атмосферы 8A Рис. 3. Схематическое изображение шкафа с нумерованными Рис. 4. Вид современного шкафа для обеспечения нормального ссылками на его наполнение температурного режима РЭА мя до отказа для системы, не подлежа- Но это не эфемерная, а, в принципе, матического температурного баланса щей ремонту. Определение наработки полезная норма для прогнозируемых для теплоотведения потоков вне кор- на отказ зависит от определения того, расчётов разработчиков РЭА. Ибо, ког- пуса. Заметна и оправдана тенденция что считать отказом. Отказами обору- да наработка на отказ известна, мож- к усилению и конкретизации требова- дования, в том числе по причине тем- но оценить вероятность того, сколько ний производителя – устанавливать пературного перегрева, считаются слу- конкретный модуль в составе системы электронные устройства с высокой чаи возникновения неисправности, не будет работать за время, равное нара- интеграцией компонентов, к кото- соответствующие проектным услови- ботке на отказ. Интересно сия про- рым предъявляются требования повы- ям, которые выводят систему из экс- блематика рассматривается в [4] и [5]: шенной надёжности в режиме беспе- плуатации для последующего возмож- в предположении постоянной часто- ребойной (круглосуточной) работы в ного ремонта. При этом возникающие ты отказов любая РЭА выдержит рас- особых условиях; речь идёт о специ- кратковременные неисправности РЭА, чётную наработку на отказ с вероят- альных открытых и закрытых шкафах в частности, некорректная или вре- ностью 36,8% (то есть выйдет из строя с принудительной вентиляцией. менно нестабильная работа оборудо- раньше с вероятностью 63,2%). вания из-за изменения температурного В этом смысле как повод для совер- режима – перегрева, поскольку явля- Значение MTBF как условный сред- шенствования инженерной мысли ются обратимыми при возвращении ний срок службы может использовать- можно рассматривать запатентован- условий рабочего режима (в том чис- ся в качестве параметра надёжности ную [6] конструкцию шкафа для РЭА. ле температурного) и не выводят РЭА РЭА или для сравнения различных из строя, не считаются сбоями в соот- систем или конструкций. Но это не На рис. 3 представлено схематиче- ветствии с этим определением. Также количественное тождество между рабо- ское изображение шкафа с нумерован- устройства, выходящие из эксплуата- тающими и вышедшими из строя бло- ными ссылками на его наполнение. ции для проведения планового техни- ками или системами РЭА. Резюме: чем ческого обслуживания или инвентари- выше прогнозируемая наработка на Нумерованные ссылки имеют следу- зации, не рассматриваются в рамках отказ, тем дольше система проработа- ющее значение. Шкаф содержит кор- определения отказа. Практический ет до ремонта. пус 1, разделённый на стойки, в которых пример [3]: три идентичные системы размещается аппаратура 2 малой мощ- запускаются одновременно и нормаль- Тенденция к минимизации ности и аппаратура 3 большой мощно- но функционируют до тех пор, пока все габаритов РЭА сти. Приточный вентилятор 7 через три не выйдут из строя. Первая система испаритель 4 холодильной машины сое- неисправна через 100 часов, вторая – Предпосылки к такому подходу динён с входом стойки с аппаратурой 2, через 120 часов, а третья – через известны: потребительский спрос на а выход стойки с аппаратурой 3 через 130 часов. Наработка на отказ – среднее устройства меньшего размера стано- конденсатор 6 холодильной машины значение и составляет 116 667 часов, вится выше. Поэтому разработчики соединён с вытяжным вентилятором 8. т.е. если бы такая РЭА не подлежала РЭА стремятся конструировать кор- Стойки с аппаратурой 2 и аппаратурой 3 ремонту, наработка на отказ составля- пус с учётом теплопроводящих мате- сообщаются между собой посредством ла бы 116 667 часов. риалов, перфорации стенок и обеспе- отверстий 5 в перегородке 9. чения принудительного охлаждения, добавляя обязательный модуль авто- На рис. 4 представлен вид современ- ного шкафа для обеспечения нормаль- ного температурного режима РЭА. СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 2 / 2023 WWW.SOEL.RU 57

ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ Рис. 5. Внешний вид элемента Пельтье Рис. 6. Внешний вид жидкостной чём источник тепловой энергии для TEC1-12706 системы охлаждения ID-COOLING нагрева преобразователя может быть (Auraflow X 240 Evo) разным, к примеру, газовая или бензи- Более 100 печатных плат расположе- новая горелка, твердотопливная печь ны «кассетным» форматом. В основе ние теплообмена при допустимом уве- и др. В рассматриваемой нами пробле- качественного термического модели- личении размеров оборудования (что матике разработчики совершенствуют рования правильный выбор компо- непопулярно из-за рассмотренных идею «взаимного» охлаждения эле- новки корпуса для различных моди- выше тенденций минимизации габа- ментов РЭА, то есть модуль Пельтье фикаций РЭА. В задней части шкафа ритов оборудования в угоду его кон- можно ориентировать (и закрепить) перенаправлен поток воздуха через курентной способности) или же при- тепловой стороной к источнику теп- область плат. менение специальных решений для ла (нагрева) одного из элементов в охлаждения. Во втором случае умест- корпусе РЭА и зафиксировать сторо- Технический результат заключает- но (по аналогии) обратить внимание ной «охлаждения» к другому элемен- ся в повышении эффективности тер- на системы охлаждения, применяемые ту, нуждающемуся в коррекции темпе- мостабилизации РЭА. В нижней части в кулерах-диспенсерах (охладителях ратур в рабочем режиме. Как вариант, закрытого корпуса шкафа располо- воды), кулерах-электровентиляторах, к стороне охлаждения модуля добавля- жены выполненные в виде единого вентиляторах для микропроцессорно- ют миниатюрный электрический вен- выдвижного блока теплообменник и го оборудования, в том числе компью- тилятор для создания принудительной сквозные каналы с вентиляторами. терной технике. На рис. 5 представлен конвекции воздуха. Выдвижной блок снабжён располо- вариант локального охладителя раз- женным над ним радиатором, выпол- мерами 40×40 мм – термоэлектриче- Ещё один вариант принудительного ненным из высокотеплопроводного ский преобразователь элемент Пель- охлаждения электронных компонентов металла как одно целое со сквозными тье TEC1-12706. и модулей – жидкостный. На рис. 6 пред- каналами для вентиляторов. Между ставлена жидкостная система охлаж- выдвижным блоком и нижним осно- Разновидностей локальных термо- дения производителя ID-COOLING ванием корпуса имеется полость, через преобразователей много, они удобны модели Auraflow X 240 Evo. которую сквозные каналы сообщаются для монтажа, с помощью термопасты с вентиляторами и расположенными закрепляются к охлаждаемой поверх- На примере охлаждения для вну- вдоль стенок корпуса теплоотводящи- ности, легко управляемы от источника тренних компонент РЭА и корпусов ми каналами для охлаждающей среды. постоянного тока напряжением 9–15 В, представлена необслуживаемая систе- компактны, служат долго, а потому ма жидкостного охлаждения с двумя Если рассматривать такое современ- популярны. Модули Пельтье выпуска- вентиляторами с диаметром 120 мм ное техническое решение, предложен- ются разных размеров, соответственно и высотой 25 мм. Размер радиатора ное в [7], то стенки сквозных каналов производительности, для низковольт- 276×120×27 мм, размер жидкостного охлаждаются «холодными» спаями ного питания наиболее популярны блока 82×72×48 мм. Скорость враще- присоединённых к ним термоэлек- типа 12705–12715. Опасность неис- ния вентиляторов 700–1800 об/мин при трических модулей и отбирают тепло правности – только их механическое уровне шума соответственно 18–35 дБ у проходящего через каналы воздуха. повреждение. обеспечивает воздействие на охлажда- Тепло от «горячих» спаев термомоду- емый компонент воздушного потока лей отводится с помощью хладагента, Элементы Пельтье обозначаются в 74,5 CFM. Совместимый сокет AM4; протекающего через примыкающий к TEC (от англ. Thermoelectric Cooler – LGA 1150; LGA 1151; LGA 1155; LGA ним змеевик, снабжённый впускным термоэлектрический охладитель). 1200; LGA 1700; LGA 2011; LGA 2066; и выпускным патрубками. Принцип действия термоэлектриче- s1156. ского преобразователя базируется на Инженерные решения – эффекте Пельтье – возникновении На рис. 7 представлен жидкостный способы уменьшения разности температур при воздействии блок, а на рис. 8 – радиатор охлаждения перегрева электронных электрического тока. Термоэлектриче- к системе Auraflow X 240 Evo. компонентов ский генераторный модуль Пельтье маркируется как GM или ТGM. При- Конфигурация «кулер + радиа- Как в шкафах с высокой концен- тор» известна пользователям стаци- трацией РЭА, так и в частном случае онарных компьютеров. Термопаста нередко встаёт дилемма в пути реше- и термопрокладки между чипами и ния конструкторской задачи: улучше- радиатором используются для эффек- тивного теплоотведения. По тому же принципу с нагнетанием воздуха, но без водяного охлаждения и, соответ- ственно, с радиатором другой формы, функционируют кулеры для охлажде- ния сокетов микропроцессорной тех- ники. Но особенно важно обеспечить надлежащий уровень температурно- го режима с помощью принудитель- ного охлаждения в электрических шкафах управления, где размеща- ется дорогостоящее оборудование в ограниченном пространстве. Апро- 58 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 2 / 2023

ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ бированным инженерным реше- Рис. 8. Радиатор охлаждения к системе нием для охлаждения электронных Auraflow X 240 Evo компонентов в шкафах управления и автоматики являются также вентиля- 74722d776562/https/www.vicorpower.com/ торы с фильтрами. Термомоделиро- вание наиболее удачно в проектах с documents/quality/Rel_MTBF.pdf. комбинированным охлаждением, где учитывается и теплопроводность, Рис. 7. Жидкостный блок 6. Москаленко С.В., Фиделин А.Г., Малышев В.А. и принудительная конвекция. Для системного размещения РЭА в одном 74722d776562/https/en.wikipedia.org/wiki/ Шкаф РЭА. Патент RU2267240C1_20051227. месте – это наиболее перспективный MTTF#Calculation. способ совершенствования инженер- 4. Lienig J., Bruemmer H. Анализ надёжно- URL: https://yandex.ru/patents/doc/ ной мысли в области стабилизации сти. Основы проектирования электронных температурного режима как фактора систем. Springer International Publishing. RU2267240C1_20051227. увеличения надёжности РЭА. С. 45–73. 5. Обзор надёжности и наработки на отказ. 7. Исмаилов Т.А., Цеханская Т.Э., Литература: Vicor Reliability Engineering. URL: https://translated.turbopages.org/proxy_u/ Салманов Н.Р. и др. Шкаф для охлаж- 1. Воздействие тепла на электронные en-ru.ru.5a472766-63b56361-57ba5c32- дения РЭА. Патент RU2203523C2. URL: компоненты. URL: https://oshav.ru/ https://patentimages.storage.googleapis.com/93/ blog/vozdeystvie-tepla-na-elektronnye- e0/8e/7167dbf617cbb4/RU2203523C2.pdf. komponenty/. 2. Теплоотвод в силовых электронных прибо- 8. Охлаждение электроники: термомоделиро- рах. URL: https://studfile.net/preview/6270824/ вание при разработке конструкции корпуса. page:27/. 3. Среднее время между отказами. URL: URL: https://habr.com/ru/post/573350/. https://translated.turbopages.org/proxy_u/ en-ru.ru.5a472766-63b56361-57ba5c32- НОВОСТИ МИРА Российские операторы Также он добавил, что контракты под- Конечно, на данный момент китайской заказали отечественные писаны с двумя поставщиками оборудова- новинке далеко до аналогичных реше- базовые станции ния. Ранее Минцифры заверило, что уход ний от американских гигантов, но начало на 100 млрд рублей телекоммуникационных компаний Nokia уже неплохое! Однокристальная система (Финляндия) и Ericsson (Швеция) с россий- LS2K2000 получила два процессорных ядра Заместитель главы Минцифры РФ Дми- ского рынка не повлияет на качество мо- LA364, способных работать на тактовой ча- трий Ким заявил, что российские опера- бильной связи. стоте до 1,5 ГГц, и 2 МБ общей кэш-памяти торы заключили контракты с отечествен- второго уровня. Зато новинка получилась ными производителями базовых станций В конце декабря 2022 года стало извест- крайне экономичной – в производитель- для мобильных сетей связи более чем на но, что операторы «большой четвёрки» ном режиме система на кристалле потре- 100 млрд руб. Он сообщил, что по этим (МТС, «Билайн», «МегаФон», Tele2) заклю- бляет 9 Вт, а в сбалансированном энергоза- контрактам до 2030 года будет поставле- чили форвардные контракты на поставку траты и вовсе падают до скромнейших 4 Вт. но около 75 тыс. базовых станций. отечественных базовых станций на свои сети. Поставки начнутся с 2025 года. Однокристальная система поддержива- Операторы подписали форвардные кон- ет DDR4-2400 ECC, PCIe 3.0, SATA III, USB 3.0, тракты более чем на 100 миллиардов рублей. industry-hunter.com HDMI+DVO, GNET и GMAC, SDIO и eMMC. Общий объём до 2030 года – порядка 75 тысяч Тем временем TECNO также представила базовых станций. Уже с 2028 года они долж- Китайцы представили свой концепт инновационного складно- ны будут закупать исключительно отечествен- систему на кристалле го смартфона. ные базовые станции. Переход на российское собственной разработки с оборудование будет поэтапным. Это позво- собственным же GPU ichip.ru лит убедиться в полном соответствии требо- ваниям к оборудованию и распределит фи- Однокристальная система LS2K2000 полу- нансовую нагрузку, сообщил Дмитрий Ким. чила два процессорных ядра LA364, способ- ных работать на тактовой частоте до 1,5 ГГц. Китай активно наращивает импортоза- мещение в деле электроники, в том числе в самых наукоёмких её областях. Напри- мер, местная компания Loongson только что представила однокристальную систе- му собственной разработки LS2K2000, осо- бенно интересную тем, что она также по- лучила и оригинальный китайский графи- ческий процессор. СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 2 / 2023 WWW.SOEL.RU 59

ВОПРОСЫ ТЕОРИИ Синхронная запись АЧХ поля атмосфериков на разнесённых по широте авроральных обсерваториях (экспериментальные данные) Алексей Галахов, Алексей Галкин ферные возмущения, магнитные бури, полярные сияния). Каждый из этих Данная работа является продолжением цикла работ, посвящённого факторов по-разному воздействует на тематике применения программируемых аналоговых (AN221E04) околоземное пространство (магнитос- и цифровых (PIC18F452) интегральных микросхем для разработки феру, ионосферу). нестандартной геофизической аппаратуры [1, 2]. В работе представлены экспериментальные данные АЧХ поля Причём полоса импульсного элек- атмосфериков, зарегистрированного одновременно на двух тромагнитного излучения простира- разнесённых по широте обсерваториях Полярного геофизического ется в широком диапазоне длин волн: института РАН [Ловозеро (67,97°N, 35,02°E) и Баренцбург (78,08°N, от жёсткого рентгеновского излучения 14,22°E)] во время вспышек на Солнце класса B, M (09.11.2021). (10–9 см ) до километровых радиоволн Используемая приёмно-регистрирующая аппаратура была разработана (106 см). Время распространения ука- в ПГИ на основе программируемых аналоговых (AN221E04) и цифровых занных видов солнечного излучения (PIC18F452) интегральных микросхем, что дало возможность получить до Земли соответственно составляет: высокую точность обработки аналоговых сигналов (не хуже 1%). Это 8,3 мин, несколько часов, 1–2 суток [3]. позволило сопоставлять результаты регистрации, выполненные в разных точках наблюдений, с численным моделированием процессов в Состояние активности Солнца нижней ионосфере Земли. определялось по архивным данным Результаты первичной обработки экспериментальных данных показали, X-Ray Flux геостационарного спут- что вариации АЧХ поля атмосфериков могут стать дополнительным ника GOES (Geostationary Operational индикатором состояния солнечной активности и солнечных вспышек. Environmental Satellite) [4, 5]. Рентге- новские данные спутника GOES явля- Введение Интерес к данному исследованию ются хорошим индикатором того, что объясняется тем, что изменения интен- солнечная буря двигается по направ- Изучение физики атмосферы остаёт- сивности солнечного ветра, связанные лению к Земле. ся актуальным и в наши дни, посколь- со вспышками на Солнце, являются ку всегда имеется потребность в кор- главной причиной появления основ- Приведена синхронная запись АЧХ ректировке физической модели ных геофизических явлений. Три вида поля атмосфериков, зарегистрирован- ионосферы с использованием опера- солнечного излучения (электромагнит- ного на двух разнесённых по широ- тивно получаемых эксперименталь- ное, протоны, низкоэнергичная плаз- те авроральных обсерваториях ПГИ: ных данных. Любая модель ионосфе- ма) особенно влияют на процессы в Ловозеро (Мурманская обл., 67,97°N/ ры не может охватить и предсказать верхней атмосфере и приводят к воз- 35,02°E) и Баренцбург (арх. Шпицбер- всех факторов, влияющих на состоя- никновению различного вида геофи- ген, 78,08°N/ 14,22°E ) во время солнеч- ние плазмы, вызванных вспышками зических явлений (внезапные ионос- ных вспышек мощностью класса B и на Солнце. M [4]. Рис. 1. Общий вид рамочных ОНЧ-антенн (арх. Шпицберген) Аппаратура Данная работа является продолжением цикла работ, посвящённого применению программируемых аналоговых (AN221E04) и цифровых (PIC18F452) интегральных микросхем для разработки нестандарт- ной геофизической аппаратуры. Целесообразность применения ПАИС Anadigm обусловлена высокими техническими характеристиками [6]: ● низкий уровень собственных шумов (Uсш = 0,13 мкв/ ), достигнутый из- за того, что внутренняя структура ми- кросхемы выполнена по дифферен- циальной схеме; ● высокая точность обработки анало- гового сигнала, которая обусловле- 60 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 2 / 2023

ВОПРОСЫ ТЕОРИИ на тем, что, в отличие от цифровых а систем, где сигнал дискретен по вре- б мени и квантован по уровню, в дис- в кретно-аналоговых системах сигнал дискретен только во времени; г ● наличие на входах ПАИС anti-aliasing фильтров, которые устраняют эф- фект наложения спектра. В данном эксперименте для приё- ма и частотного анализа п. а. на каж- дой обсерватории использовались два идентичных комплекта приёмно-реги- стрирующей аппаратуры. Состав аппаратуры: ● два комплекта приёмников ОНЧ- диапазона (400...7500 Гц) с ортого- нальной ориентацией входных ра- мочных антенн [7]; ● последовательный анализатор спек- тра поля атмосфериков [2]. Ортогональная ориентация входных рамочных антенн даёт возможность оценить вклад каждой компоненты Hx, Hy в горизонтальную составляю- щую магнитного поля атмосфериков. Общий вид рамочных ОНЧ-антенн представлен на рис. 1. Особенности построения последова- тельного анализатора спектра вызваны импульсным характером поля атмос- фериков и широким динамическим диапазоном входных сигналов. Режим динамической реконфигурации, кото- рый предусмотрен в ПАИС Anadigm, позволяет программным способом менять структурную схему устройства и задавать его технические характери- стики. Это дало возможность путём вклю- чения подпрограммы «обнуления» уменьшить погрешность измерения амплитуды, вызванной эффектом «зво- на» фильтра при действии импульс- ного сигнала. Режим «обнуления» включается после записи каждой спек- тральной составляющей п. а. Структура построения аппаратуры позволяет легко тиражировать её с иден- тичными параметрами, и тем самым имеется возможность для организа- ции сети геофизических наблюдений. Экспериментальные д данные Рис. 2. Сравнительная 4-суточная запись [09.11.2021–12.11.2021] солнечной активности Для того чтобы идентифицировать GOES X-Ray Flux и АЧХ магнитной Hx компоненты поля атмосфериков: а) GOES X-Ray влияние различных факторов воздей- Flux: 2021-11-09_000000–2021-11-13_000000 [4]; б) сонограмма компоненты Hx п. а., ствия солнечной вспышки (электро- обс. ПГИ Баренцбург; в) сонограмма компоненты Hx п. а., обс. ПГИ Ловозеро; г) АЧХ магнитный импульс, поток космиче- компоненты Hx п. а., обс. ПГИ Баренцбург; д) АЧХ компоненты Hx п. а., обс. ПГИ Ловозеро ских лучей, корональные выбросы) на состояние нижней ионосферы Зем- ли, рассмотрен случай двух солнеч- ных вспышек разного класса (B, M) СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 2 / 2023 WWW.SOEL.RU 61

ВОПРОСЫ ТЕОРИИ на фоне спокойного состояния Солн- ца (09.11.2021). а В связи с тем, что задержка реак- б ции ионосферы на солнечную вспыш- ку зависит от фактора воздействия и в составляет от несколько минут (элек- тромагнитный импульс) до трёх суток г (корональный выброс), будут рассмо- трены АХЧ поля атмосфериков в раз- д личных временны́ х масштабах. Рис. 3. Сравнительная 4-суточная запись [09.11.2021÷12.11.2021] солнечной На рис. 2, 3 представлена 4-суточ- активности GOES X-Ray Flux и АЧХ магнитной Hy компоненты поля ная (09.11.2021–12.11.2021) синхронная атмосфериков: а) GOES X-Ray Flux: 2021-11-09_000000–2021-11-13_000000 [4]; запись X-Ray Flux (GOES) и АЧХ поля б) сонограмма компоненты Hy п. а., обс. ПГИ Баренцбург; в) сонограмма атмосфериков (п. а.) раздельно по ком- компоненты Hy п. а., обс. ПГИ Ловозеро; г) АЧХ-компоненты Hy п. а., обс. ПГИ понентам Hx (рис. 1), Hy (рис. 2), одно- Баренцбург; д) АЧХ-компоненты Hy п. а., обс. ПГИ Ловозеро временно зарегистрированных на двух 62 WWW.SOEL.RU обсерваториях в период солнечных вспышек мощностью класса B [(02:00) 09.11.2021] и M [(15:20) 09.11.2021]. В связи с широким динамическим диапазоном спектральных составля- ющих сигнала п. а. в полосе частот ΔF = (0,6–3,6) кГц и для лучшей нагляд- ности вариации амплитуды каналов на графиках АЧХ представлены в отно- сительных единицах. Белые полосы на сонограммах (рис. 1в, 2б) означа- ют отсутствие данных в представлен- ный момент времени. На рис. 4 представлена суточная (09.11.2021) синхронная запись GOES X-Ray Flux и АЧХ компонентов Hx поля атмосфериков, одновременно зареги- стрированных на двух обсерватори- ях ПГИ в период солнечных вспышек мощностью класса B [(02:00) 09.11] и M [(15:20) 09.11] 2021 г. Анализ представленных характери- стик показал широтную зависимость АЧХ поля атмосфериков при действии солнечной вспышки, что подтвержда- ет сложную конфигурацию магнитного поля околоземного космического про- странства (области как замкнутых, так и разомкнутых силовых линий). Нали- чие области полярного каспа (широты 75–80°), где интенсивность геомагнит- ного поля очень низкая, подтверждено регистрацией возмущения п. а. толь- ко на обс. ПГИ Баренцбург (рис. 3б), как результата воздействия солнеч- ной вспышки класса B (6×10-7 W⁄m2). Отсутствие временно́й задержки меж- ду солнечной вспышкой и возмущени- ем п. а. в виде девиации критической частоты волновода Земля-ионосфера [(909–1500) Гц], а также то, что область наблюдения находилась в тени Солн- ца, даёт основание считать, что фак- тором воздействия солнечного излу- чения является электромагнитный поток. СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 2 / 2023

ВОПРОСЫ ТЕОРИИ Результаты первичной обработки экспериментальных данных показали, что вариации АЧХ поля атмосфериков могут стать дополнительным индика- тором состояния солнечной активно- сти и солнечных вспышек. а Литература б 1. Галахов А., Ахметов О. Ультразвуковой анемометр на программируемых анало- в говых ИС Anadigm // Современная элек- троника. 2009. № 4. C. 36–38. Рис. 4. Cуточная запись солнечной активности GOES X-Ray Flux и АЧХ магнитной Hx компоненты поля атмосфериков (09.11.2021): а) X-Ray Flux, (GOES): 2021-11- 2. Галахов А., Косолапенко В., Ларченко А. 09_000000–2021-11-10_000000 [5]; б) АЧХ-компоненты Hx п. а., обс. ПГИ Баренцбург; и др. Анализатор спектра поля атмос- в) АЧХ-компоненты Hx п. а., обс. ПГИ Ловозеро фериков на реконфигурируемых ПАИС Anadigm // Современная электроника. 2019. № 7. C. 62–66. 3. Криволуцкий А.А., Репнев А.И. Воздействие космических факторов на озоносферу Зем- ли. М.: Геос, 2009. 4. GOES (Geostationary Operational Environmental Satellite). URL: https:// www.polarlicht-vorhersage.de/goes/2020- 11-09_000000_2020-11-13_000000.png. 5. GOES (Geostationary Operational Environmental Satellite). URL: https:// www.polarlicht-vorhersage.de/goes/2020- 11-09_000000_2020-11-10_000000.png. 6. Datasheet AN221E04: URL: http: //www. anadigm.com/_doc/DS030100-U006.pdf. 7. Галахов А.А., Ахметов О.И. Комплекс аппаратуры для регистрации импульс- ной компоненты электромагнитного поля очень низкой частоты // Прибо- ры и техника эксперимента. 2011. № 3. C. 136–142. НОВОСТИ МИРА Когда российская ма внутреннего рынка. При этом только 16% В России покупатели всё вычислительная техника систем хранения и лишь 28% всех используе- чаще начали судиться полностью вытеснит с продавцами электроники импортную мых в стране серверов производятся в России. По его словам, он общался на эту тему с гла- В России и физические, и юридические Председатель комитета Госдумы по лица всё чаще судятся с продавцами элек- информационной политике, информаци- вой Минцифры Максутом Шадаевым, а вме- троники. На сегодняшний день известно онным технологиям и связи Александр сте с ним Минпромторг и правительство уве- об исках к «МегаФону», re:Store, «Ситилин- Хинштейн рассказал напресс-конферен- ряют, что на российское оборудование стра- ку» и «М.Видео-Эльдорадо». ции, посвящённой итогам осенней сес- на полностью перейдёт к 2028 году. На все сии, что в России вычислительная тех- 100% «линейка будет закрыта к 2028 году». Суммы исков, которые истцы хо- ника отечественного производства пол- тят взыскать с продавцов, составляют ностью заменит импортную к 2028 году. «Невозможно достичь технологического 14–250 млн рублей. Юристы даже счита- суверенитета, не уходя от импортозависи- ют, что некоторые торговые сети могут Хинштейн подчеркнул, что, если не пе- мости», – подчеркнул Александр Хинштейн. стать банкротами. рейти полностью на российскую вычисли- тельную технику, не получится добиться ferra.ru Основные претензии заключаются в ус- подлинного цифрового суверенитета. Так- ложнении логистики и увеличении сроков же политик отметил, что на 2023 год такую поставок в силу ухода зарубежных компа- задачу ставил президент Путин. ний с российского рынка. Также претен- зии связаны с исполнением обязательств Кроме того, Александр Хинштейн расска- по договорам: поставками товаров, арен- зал, что доля российской вычислительной тех- дой, возмездным оказанием услуг и т.д. ники едва превышает 11% от общего объё- ferra.ru СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 2 / 2023 WWW.SOEL.RU 63



‫ٿڋڎڅڍڋى
ڍځڊٽڎڇڂڈو‬ ‫ْٕٖ‪ٙ‬و
ܣچڅڇڎٿڋڍڂٿڂ‪
ٚ‬ٿڂٓ‬ ‫ݑڇڂڏڋڊٽڊڏٽڍڏ‪ٙ‬ݐ
ٖٖٖ
ܣٿڋډٽڎڅ‪
ٝ‬ڏٽڍچو‬ ‫‪
٥ٍٍْ٘ٔٙ‬ܣڊڅڇڈڅٗ
چڂڀڍڂ‪ٙ‬‬ ‫
ܣٽڊڅڒڐڊڈڋي
ٽڊڂڈٍ
څ
ڊڅځڋڀڋڍڋْ
ڜڙڈِ‬ ‫‪-‬ڎڅڔژيݐ
ډڐڅړڍڋڎڊڋْݐ
ٖٕو
ܣٽٿڂٽڏڎڋڀڂٓ
ٽڊٽڈڏڂٿ‪ٙ‬‬ ‫ډڂڏڎڅ‪
ٙ‬ڒژڊڊڋڅړٽڀڅٿٽٕ
ڜڅڍڋڏٽڍڋپٽٓ‬ ‫މ
ڙڏڎٽ‪
ٟ‬ܯ
ݑٽڇڅڊڒڂڏ
ڜٽڊڙڈڂڏڅڈ‬

Реклама