אז מה עושים שם באוניברסיטה? פרק 5: אפשר יותר מהר בבקשה? – על תכנון מעגלים בתדרי רדיו גבוהים

נפגשתי עם בסאם חמאיסי כדי לשאול אותו מה עושים שם באוניברסיטה.

בסאם, במקור מכפר כנא שליד נצרת, מתגורר כיום בתל-אביב. את השכלתו האקדמית רכש באוניברסיטת תל-אביב בתחום הנדסת החשמל. בימים אלה הוא מבצע את עבודת הדוקטורט במעבדתו של דר' ערן סוחר בפקולטה להנדסה באוניברסיטת תל-אביב. עיקר עניינו הוא בתכנון מעגלים משולבים לעבודה בתחום תדרי הרדיו גבוהים מאוד.

בסאם, אז מה אתם עושים שם?

אצלנו במעבדה אנחנו מפתחים מעגלים משולבים לתדרי עבודה בתחום הרדיו, שהם תדרי עבודה גבוהים במיוחד. מדובר בגלים באורכי גל מילימטריים ותת-מילימטריים, שהם הגלים הקצרים ביותר הנמצאים בשימוש בתקשורת אלחוטית כיום.

על מה בעצם מדובר? מי משתמש בזה?

המטרה היא להעביר מידע בצורה אלחוטית. כיום למשל בטכנולוגית WiFi קצב השידור הוא 2.4GHz. אם רוצים להעביר כמות גדולה יותר של מידע בזמן נתון, למשל לשלוח סרט בקצב של 5Gbyte לשניה, רצוי לפתח טכנולוגיות יותר מהירות. הבעיה היא שהמעגלים הרגילים והרכיבים מהם הם מורכבים לא מותאמים לעבוד בקצבים כל כך גבוהים ולא יוכלו לתת את ההספק הנדרש.

ישנם לא מעט יישומים מעניינים למעגלים המהירים שאנו מפתחים. למשל להורדה מהירה של סרטים או קבצים מהאינטרנט למכשירים ניידים. דוגמא נוספת היא בתחום ההדמיה לשימושי אבטחה – לגילוי כלי נשק מוסתרים, או ליישומים רפואיים כמו אבחון סרטן. על נושא ההדמיה אני ארחיב בהמשך.

איור 1: ספקטרום הקרינה האלקטרומגנטית. המקור לתמונה: ויקיפדיה.

אז מה מיוחד בגישה שלכם לפיתוח המעגלים?

ראשית, כדאי להזכיר בקצרה מהו טרנזיסטור. רכיב חשמלי זה הוא אחד מאבני הבסיס החשובות המשמשות למשל לבניית מחשב. הטרנזיסטור הוא מעיין מתג חשמלי בעל שני מצבים – מעביר או לא מעביר זרם חשמלי. בעזרת רכיבים אלה ניתן לממש את כל הפונקציות הלוגיות ('וגם', 'או', וכדומה) שנדרשות לתכנון המעבד או יחידות הזיכרון של המחשב. הטכנולוגיה המקובלת כיום לתכנון מעגלים משולבים נקראת CMOS ומבוססת (בד"כ) על טרנזיסטורים מסיליקון המחוברים בצורה מיוחדת.

הגישה הנפוצה כיום לפיתוח מעגלים חשמליים לעבודה בתדרים גבוהים היא שימוש בטרנזיסטורים מיוחדים ומאוד מהירים. טרנזיסטורים אלה בדרך כלל אינם עשויים מסיליקון (אלא לדוגמא מ-GaAs), והם בעלי מבנה מיוחד ויקרים למדי. המטרה שלנו היא להשתמש דווקא בטכנולוגיה הפופולארית CMOS לפיתוח אותם מעגלים. היתרונות בגישה זאת הם המחיר הזול יותר, ההתאמה לטכנולוגיה הקיימת (לכן קל יותר לשלב אותה במעגלים אחרים) והעובדה שרוב המפעלים מותאמים לייצור מעגלים בטכנולוגיה הזאת.

יש לזכור שאחד מול אחד, לטרנזיסטורים המהירים יהיו ביצועים יותר טובים. המטרה שלנו היא למצוא דרכים להוציא ממעגלי ה-CMOS את הביצועים הטובים ביותר האפשריים עבור עבודה בתדרים גבוהים, כך שנוכל להתחרות בעלות אל מול תועלת בטרנזיסטורים היקרים.

ספר לי על מה אתה עובד.

אחד הפרויקטים שאני עובד עליו הוא הדמיה בתדר גבוה. משדר שולח גלים על גוף מסוים והגלים המוחזרים נאספים על ידי המקלט. בהמשך המידע מעובד לכדי תמונה של הגוף שעליו נשלחו הגלים (בדומה להדמיה באמצעות גלים אקוסטיים או באמצעות קרני X). כל פיקסל ברכיב שלנו הוא משדר-מקלט ששולח גל שחלקו נבלע וחלקו מוחזר מהגוף הנסרק. עוצמת הגל שחזרה אל המקלט מנקודה מסוימת מעידה על תכונותיו (הדיאלקטריות) של החומר בנקודה זאת. בצורה זאת ניתן לקבל מיפוי של תכונות החומר בכל נקודה. שימוש עתידי של הטכנולוגיה הוא למשל אבחון לא פולשני, בטוח (קרינה לא מייננת) ומהיר של סרטן העור או של עששת בשן.

היתרון של שימוש בגל בתדר גבוה הוא שככל שהתדר גבוה יותר, כך האנטנות בתוך השבב יוכלו לפלוט אלומת קרן שרוחבה קטן יותר. עובדה זאת תאפשר לנו להשתמש בפיקסלים קטנים יותר ולקבל רזולוציה גבוהה יותר עבור מכשיר ההדמיה.

האתגר הוא לתכנן את אותו מעגל פיקסל משדר-מקלט בטכנולוגית CMOS, שאינה בהכרח אופטימלית לעבודה בתדרים גבוהים, בצורה חכמה כך שהביצועים של המעגל יהיו מספיק טובים לשימושים מסחריים.

תמונה 2: דוגמא למקור אות חשמלי (לאו דווקא זה המוזכר בראיון). מגעי הכניסה הם משמאל באפור, והמוצא מימין. המידות של השבב הם 400 על 250 מיקרומטר (10^-6 מטר). המקור לתמונה: בסאם.

גלה לי את אחד הטריקים. איך אתם עושים את זה?

אני אתן לך דוגמא: כדי לשדר בתדר גבוה אנו צריכים מקור אות חשמלי שהאות שהוא מיצר מתנדנד בתדר הרצוי. נניח, לדוגמא, שאנו רוצים לתכנן מקור ב-300GHz. אפשרות אחת היא לבנות מעגל עם טרנזיסטור מהיר ויקר שיכול לעמוד בתדרים האלה. אפשרות שניה היא לבנות מעגל בעזרת טרנזיסטורים פחות טובים, אבל לעורר את המעגל בתנודות איטיות יותר, למשל ב-100GHz.

הסוד הוא, שבטרנזיסטורים האלה יש אפקטים לא ליניאריים, כלומר אם אני מעורר אותם באות בעל תדירות מסוימת, אות המוצא שלהם משתנה בתדירות המקורית אך גם בתדירויות גבוהות יותר (ראו איור 3). אחת התדירויות הגבוהות יותר שיתעוררו היא אותה 300GHz שבה אנו מעוניינים. אנו צריכים לדאוג שהעוצמה של התנודות בתדרים הגבוהים שהתעוררו תהיה מספיק חזקה עבור האפליקציות שלנו. לכן האתגר הוא לבנות את המעגל כך שהוא יביא לניצול אופטימלי של התדר המשני שבו אנו מעוניינים. כך נוכל לשחזר את הביצועים של הטרנזיסטורים היקרים.

איור 3: הסבר סכמטי לתוצא של רכיבים לא-ליניאריים.

מה אופי העבודה? איך הגעתם לביצועים טובים?

הצעד הראשון הוא לקחת את המעגל המתוכנן על הנייר ואז לבדוק ולשפר אותו תוך שימוש בתוכנות סימולציה. לאחר שמקבלים ביצועים טובים בסימולציה, עוברים לתוכנה אחרת ששם כבר מתכננים על המחשב את המעגל המשולב, עד לפרטים הקטנים כולל מבנה וחומרים (בעגה layout). לאחר סיום השלב הזה שולחים את המעגל לייצור, וכשהוא חוזר מאפיינים אותו בעזרת מכשור הבדיקה המתקדם שיש לנו במעבדה כדי לראות אם הוא אכן עומד בציפיות.

אחת הבעיות היא שהמודלים הקיימים בתוכנות הסימולציה לא מדויקים מספיק לחישוב פעולת הטרנזיסטורים בתדרים כל כך גבוהים. כך למשל, קרה לי ששלחתי מעגל שתוכנן לפעול בתדר 240GHz, אך שקיבלנו אותו הסתבר שהוא מייצר תנודות ב-230GHz בלבד. בשלב זה, אם יש צורך, ניתן לעשות מקצה שיפורים, כלומר לתכנן ולייצר מעגל חדש ומדויק יותר.

בסוף תהליך העבודה אנו מקבלים מעגל עם ביצועים טובים יותר מהמעגלים של קבוצות מחקר אחרות. אז אנו מפרסמים את הממצאים בדגש על צורת התכנון והיתרונות, וכל מי שמעוניין יכול להשתמש במעגל שלנו לעבודה שלו.

מה הצעד הבא?

כפי שסיפרתי, המטרה ארוכת הטווח של הפרויקט היא לבנות משדר-מקלט למטרות הדמיה. בינתיים הספקנו לבנות את המשדר, וכדי לבדוק אותו שיתפנו פעולה עם קבוצת מחקר אחרת מגרמניה שבנתה מקלט. אמנם המקלט שלהם מבוסס על רעיון אחר, אך המעגל מיוצר גם הוא בטכנולוגית CMOS. הצלחנו להראות תוצאות הדמיה יפות (ראו תמונה 4). השלב הבא בפרויקט הזה הוא לבנות מקלט בטכנולוגיה שלנו.

תמונה 4: הדמיה של חפצים מתכתיים. המקור לתמונה: בסאם.

————————————————————

אני אשמח להפגש ולשוחח עם כל תלמיד מחקר (אולי אתם?) שמוכן להשתתף ולספר לי קצת על מה הוא עושה (והכול במחיר של שיחה לא יותר מידי ארוכה). תוכלו ליצור איתי קשר דרך טופס יצירת קשר.

זה הזמן לספר לכולם מה אתם עושים, אולי הפעם הם גם יבינו 

גישות ישנות, גישות חדשות ואנשי אשכולות – שניים קצרים

סוף עידן הרדוקציוניזם?

"[…]

רדוקציוניזם היה הכוח המניע מאחורי חלק גדול מהמחקר המדעי במאה העשרים. מה שהוא אומר לנו זה שכדי להבין את הטבע, ראשית אנו צריכים לפענח את מרכיביו. ההנחה היא שכאשר נבין את החלקים יהיה יותר קל לתפוס את השלם. […] כדי להבין את היקום, חונכנו לחקור אטומים; לחקור מולקולות כדי להבין את החיים; לחקור גנים בודדים כדי להבין התנהגות אנושית מורכבת; לחקור נביאים כדי למצוא את המקור לאופנות חולפות ולדתות.

בימים אלה אנו כבר קרובים לדעת כמעט הכול על החלקים השונים. אך אנו רחוקים כבעבר, ואולי אפילו יותר, מלהבין את הטבע כשלם. הרכבת החלקים לכדי השלם התבררה כמשימה קשה הרבה יותר ממה שהעריכו המדענים. הסיבה היא פשוטה: על גבי הרדוקציוניזם אנו דוהרים הישר לתוך הקיר של המורכבות.

[…]"

את הטקסט תרגמתי (וקצת הוצאתי מהקשרו) מפרק המבוא של הספר "Linked" (תורגם לעברית כ-"קישורים") מאת אלברט-לסלו ברבאשי (Barabási) – פרופסור לפיזיקה, העוסק ברשתות ומערכות מורכבות.

מהם 'חוקי חזקה', ולמה מוצאים אותם כמעט בכל מקום, בקשרים בין שחקני קולנוע, ביחסי הגומלין בין החלבונים בתא, ברשת האינטרנט ובתחומים נוספים? ברבאשי רואה מערכות מורכבות בכל פינה וממליץ לנו להבין תכונותיהן כדי להבין טוב יותר את עולמינו מנקודת מבט מערכתית.

עטיפת הספר 'קישורים'. המקור לתמונה: אתר ההוצאה 'ידיעות אחרונות'.

אהבתי בעיקר את החצי הראשון של הספר בו מספר ברבאשי על הרקע ההיסטורי לפיתוח התיאוריה, על חשיבותה ועל הגילויים המרכזיים שבחלק לא מבוטל מהם הוא היה שותף כחוקר מוביל. החלק השני ובו יישומים של התיאוריה על העולם האמיתי (לדוגמא בביולוגיה על רשתות חלבונים בתא, ובכלכלה על קשרים בין אנשי עסקים) תפס אותי קצת פחות.

יש לציין שהספר אינו חדש ויצא לאור כבר ב-2002. בגלל האופי הדינאמי של עולם האינטרנט, חלק מהדוגמאות הלקוחות מתחום זה מרגישות לפעמים לקורא העכשווי פרהיסטוריות. עשר שנים!

אה כן, והרדוקציוניזם הוא עדיין אחד מהכלים החזקים שיש למדע. בחלקים מסוימים בספר, ברבאשי נשמע כאחוז דיבוק בעניין המערכות המורכבות, ומנסה לשכנע את הקורא שאם רק היינו מקדישים לנושא יותר תשומת לב, בעיות העולם היו נפתרות. עם כל זאת, נושאו של הספר באמת מעניין והוא כתוב בצורה סיפורית וקולחת. כמו כן, אין צורך לדעת מתמטיקה, הספר לא נכנס לפן הזה של התיאוריה.

האם סרטן הוא באמת מחלה?

אני ממליץ בחום להאזין לפרק 10 של הפודקאסט little atoms road trip ובו ראיון עם ראש המכון 'BEYOND Center', הפיזיקאי פול דייוויס (בחלק השני של התוכנית). דייוויס הוא דוגמא מרתקת לאיש רב מעללים וחזון. במקור הוא פיזיקאי עם הישגים מוכחים בחקר הקוסמולוגיה, אך בראיון, כראש המכון, הוא מדבר על נושאים שונים שהוא עובד עליהם.

בדומה לברבאשי, דייוויס הוא איש אשכולות שמדגים יפה כיצד צורת מחשבה מדיסציפלינה אחת עלולה להעניק נקודת מבט רעננה ולשפוך אור על דיסציפלינה אחרת. בעיקר תפסה את תשומת ליבי הגישה המעניינת שלו לחקר הסרטן. מספר רב של אנשים בעולם מתים כל שנה מסרטן, אך האם סרטן הוא באמת מחלה? כדי לשמוע את דעתו של דייוויס בעניין תאלצו להאזין לפרק.