МОЛЕКУЛЯРНО-ЭЛЕКТРОННОЕ ЗАПОМИНАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 1996 года по МПК G11C13/02 

Изобретение относится к цифровой вычислительной технике, а именно к устройствам памяти для ЭВМ и может быть использовано для построения запоминающих устройств с большой информационной емкостью.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является полупроводниковое динамическое ЗУ на ИС, элементом памяти в которой является МДП транзистор с запоминающей емкостью. Известное полупроводниковое ЗУ содержит дешифратор, обеспечивающий выборку по строкам и столбцам, блок синхронизации и управления, блок ввода-вывода информации.

Недостатком известного устройства прототипа является ограниченная информационная емкость, определяемая технологическими ограничениями оптической и электронной литографии.

Целью изобретения является повышение информационной емкости запоминающих устройств на полупроводниковых ИС.

На фиг. 1 представлена функциональная блок-схема молекулярно-электронного запоминающего устройства; на фиг. 2 структурная формула полимерной цепочки на основе молекул порфирина и энергетические уровни цепочки, состоящей из трех мономеров. Каждая мономерная ячейка состоит из трех (или более) функциональных молекул, соединенных молекулами связи (ликерами). На фиг. 3 структура молекулярного сдвигающего регистра.

Молекулярно-электронное запоминающее устройство содержит (фиг. 1) первый модуль накопителя 1, первый дешифратор 2, блок ввода-вывода информации 3, блок синхронизации и управления 4, второй модуль накопителя 5, второй дешифратор 6, молекулярный сдвигающий регистр 7, блок кодирования 8, блок декодирования 9, блок выделения информации 10, лазер 11, блок управления лазером 12. В функциональной блок схеме предлагаемого ЗУ опущены блоки, обеспечивающие регенерацию информации в динамических модулях накопителя.

В молекулярно-электронном запоминающем устройстве первый модуль накопителя 1 через молекулярный сдвигающий регистр 7 электрически связан с вторым модулем накопителя 5 таким образом, что каждый элемент памяти первого модуля накопителя 1 электрически связан с соответствующим элементом памяти второго модуля накопителя 5 цепочкой молекулярных полимерных нитей молекулярного сдвигающего регистра 7. Информационные входы первого модуля накопителя 1 подключены к соответствующим информационным входам дешифратора 2. Информационные входы и выходы дешифратора 6 подключены соответственно к информационным входам и выходам второго модуля накопителя 5. Информационные выходы блока ввода-вывода информации 3 подключены к соответствующим входам блока 8 кодирования информации, информационные выходы которого подключены к соответствующим информационным входам второго дешифратора 6, информационные выходы которого подключены ко входам блока 9 декодирования информации, выходы которого подключены к соответствующим информационным входа дешифратора 2 и блока 10 выделения информации, информационные выходы которого подключены к информационным входам блока 3 ввода-вывода информации. Полимерные нити молекулярного сдвигающего регистра 7 оптически связанные с оптическим выходом лазера 11, управляющий вход которого подключен к выходу блока 12 управления лазером. Выходы блока 4 синхронизации и управления подключены к управляющим входам соответственно блока 3 ввода выхода информации, дешифраторов 2 и 6, блока 8 кодирования, блока 9 декодирования, блока 10 выделения информации и блока 12 управления лазером.

Каждый из модулей накопителя выполнен в виде динамической микросхемы (МКС1 и МКС2) памяти, т. е. матрицы динамических элементов памяти на МДП - транзисторе и запоминающей емкости в интегральном исполнении.

Дешифраторы 2 и 6 осуществляют расшифровку адреса при считывании и записи информации. Каждый из дешифраторов 2 и 6 содержит строчный и столбцовый буферные регистры, строчный и столбцовый дешифраторы, формирователь строк и усилитель столбцов. Дешифраторы 2 и 6 запускаются фронтом тактового сигнала, поступающего с блока 4 синхронизации и управления.

Молекулярный сдвигающий регистр 7 предназначен для хранения и передачи информации из модуля накопителя 1 в модуль накопителя 5. Молекулярный сдвигающий регистр выполнен в виде тонкой пленки, в котором содержится набор полимерных нитей, в которых каждый мономерный элемент хранит один бит информации. Структурная схема полимерной цепочки на основе молекулы порфина приведена на фиг. 2а, энергетические уровни цепочки, состоящей из трех мономеров приведены на фиг. 2б. Каждая мономерная ячейка состоит из трех (или более) функциональных молекул, соединенных молекулами связи (линкерами).

Структура синтезированного мономера представляет собой чередование доноров и акцепторов, в которых под действием импульсов света происходит векторный перенос электрона по нити полимера. В исходном состоянии все три молекулы порфирина каждого мономера окислены, т. е. имеют по одной незаполненной орбитали. Запись 1 в сдвигающий регистр осуществляется внесением электрона на свободную орбиталь концевой молекулы регистра путем подачи отрицательного потенциала на электрод запоминающей емкости ячейки памяти модуля накопителя, с которым сопряжена концевая молекула порфирина. При облучении всей цепочки импульсом света электроны, находящиеся в основном состоянии α, переходят в возбужденное состояние α^*. Так как в случае, иллюстрируемом на фиг. 2, в молекулярном регистре записана только одна 1, переход в возбужденное состояние произойдет только в ячейке a₁. Далее в ячейках, в которых записаны 1, электроны из состояния α*i

через интервалы времени τ_α, τ_β, τ_γ перейдут последовательно в состояния α*i_→β_i_→γ_i_→α_i+1, где τ_α, τ_β, τ_γ соответственно времена жизни перемещающегося электрона в состояниях α^*, β, γ. Таким образом, при каждом освещении импульсом света полимерной цепочки содержимое регистра сдвигается на один шаг вправо. Длительность импульсов света должна удовлетворять условию , в противном случае может произойти ложное срабатывание регистра, при котором вновь прошедший в ячейку (до окончания импульса света) электрон перейдет в возбужденное состояние α*i+1 и переместится далее по полимерной цепочке.

Принцип работы молекулярного сдвигающего регистра поясняет табл. 1.

На противоположном от входа регистра конце цепочки последний мономерный элемент соединен с электродом запоминающей емкости соответствующего элемента памяти второго модуля накопителя 5.

Для повышения надежности функционирования ЗУ и упрощения электрической схемы управления каждая цепочка регистра выполняется в виде нескольких тысяч молекулярных полимерных нитей (до 5000). Следовательно, для хранения одного бита информации требуется 5000 мономерных элементов. Структурная схема сдвигающего регистра показана на фиг. 3.

Если считать, что длина мономерной нити порядка , то сдвигающий регистр, состоящий из цепочек в 500 1000 запоминающих элементов, будет представлять собой пленку толщиной b mg 1 2 мкм, где g число бит в цепочке, m размер реакционного центра. При размещении цепочек с шагом r, что соответствует шагу размещения ячеек памяти на модулях накопителя 2 и 5, на матрице площадью информационная емкость накопителя составит M ag²/r². Например, при a 1 см, r 6 мкм и g 600 емкость M 2,4 • 10⁹ бит.

Блоки кодирования информации 8 и декодирования информации 9 предназначены для осуществления контроля информации и коррекции ошибок в запоминающем устройстве. Работа блоков 8 и 9 основана на использовании корректирующих кодов, позволяющих обнаруживать и исправлять ошибки при работе ЗУ. Блоки кодирования 8 и декодирования информации 9 содержат входной регистр, регистр информационных разрядов, регистр контрольных разрядов, шифратор контрольных разрядов, шифратор информационных разрядов, схему сравнения, дешифратор и выходной регистр.

Блок выделения информации 10 содержит регистр, число разрядов которого равно количеству разрядов в информационном слое (блоке информации).

Лазер 11 и блок управления лазером 12 обеспечивают импульсное освещение молекулярных цепочек молекулярного сдвигающего регистра 7 светом с длиной волны, энергия кванта которого обеспечивает перевод электронов, находящихся на свободной орбитали кольцевой молекулы цепочки, из основного состояния в возбужденное состояние. Длительность импульса света, как показано выше, должна удовлетворить условно . Оптическая связь лазера 11 с молекулярным сдвигающим регистром 7 осуществляется встречными потоками света с помощью устройств интегральной оптики, размещенными по периметру регистра 7.

Устройство работает следующим образом.

При записи информации на вход блока 3 ввода-вывода информации поступает извне вводимая информация, а на вход признаков сигнал "Запись", на вход ВМ подается сигнал выборки МКС2 в модуле накопителя 5. Одновременно на адресный вход шифратора 6 поступает адрес записываемой информации. Запись блока информации в запоминающем устройстве производится за один цикл, состоящий из трех тактов. По первому тактовому сигналу, поступающему на вход ТС блока синхронизации и управления 4 входная информация поступает в блок кодирования информации 8, в котором осуществляется кодирование информации в соответствии с используемом в ЗУ корректирующим кодом. Далее через дешифратор 6 информация вводится в МКС2 модуля накопителя 5 в виде зарядов емкостей элементов памяти.

Особенностью микросхем МКС1 и МКС2 модулей памяти 1 и 5 является то, что их элементы памяти связаны с молекулярной запоминающей средой молекулярного сдвигающего регистра 7 ковалентной связью. Благодаря этому электрические заряды, записанные в МКС2 автоматически переносятся, т. е. дублируется в молекулярном слое С(0), прилегающем к микросхеме МКС2.

Во втором такте осуществляется перезапись информации из МКС2 в МКС1 со стиранием информации в МКС2. При этом информация, записанная в МКС1 дублируется в прилегающем к ней молекулярном слое С(0) молекулярного сдвигающего регистра 7. Эти операции ничем не отличаются от стандартных операций для динамических микросхем памяти и производятся без использования света.

В третьем такте под действием излучения лазерного импульса от лазера 11 происходит перемещение блока информации D (j) из слоя С(0) в следующий молекулярный слой С(1) молекулярного сдвигающего регистра 7. При этом на последний молекулярный слой С (j) регистра 7 перемещается нулевая информация, которая дублируется в МКС2.

В последующих циклах записи осуществляется последовательное заполнение блоками информации всех слоев молекулярного сдвигающего регистра 7. Связь между микросхемами МКС2 и МКС1 обеспечивает образование информационного кольца, в котором хранятся и циклически перемещаются блоки информации. Это делает предлагаемое ЗУ структурно подобным запоминающим устройствам, построенным на микросборках ЦМД.

Последовательность перемещения блоков информации D (j) в предлагаемом запоминающем устройстве показана в табл. 2.

Считывание информации. Цикл поиска и считывания информации также состоит из трех тактов и отличается от цикла записи тем, что в первом такте осуществляется операция считывания из МКС2 модуля накопителя 5. Считанная информация декодируется блоком 9 и через блок 10 выделения информации и блок 3 ввода-вывода информации поступает на выход устройства. Если считана искомая информация, цикл считывания на этом заканчивается. В обратном случае во втором такте осуществляется перезапись блока информации Д(j), хранящегося в МКС2, в МКС1 с последующим стиранием в МКС2. В третьем такте под действием светового импульса осуществляется сдвиг блоков информации в молекулярном сдвигающем регистре 7 на один молекулярный слой и электрическая запись информации из слоя С(g) в МКС 2. Эти циклы повторяются до нахождения искомого блока информации В(j) в ЗУ.

Таким образом, в предложенном молекулярно-электронном запоминающем устройстве использование интегральных микросхем динамической полупроводниковой памяти в сочетании с молекулярным сдвигающим регистром на основе однородной молекулярной пленки позволяет на 2 3 порядка увеличить информационную емкость полупроводниковых микросхем памяти без дополнительных операций фотолитографии. Темп обмена такого ЗУ равен темпу обмена микросхем памяти.

Использование: в цифровой вычислительной технике, а именно в устройствах памяти ЭВМ. Изобретение позволяет повысить информационную емкость запоминающих устройств на полупроводниковых ИС. Сущность изобретения: молекулярно-электронное запоминающее устройство содержит первый модуль накопителя 1, первый дешифратор 2, блок ввода - вывода информации 3, блок синхронизации и управления 4, второй модуль накопителя 5, второй дешифратор 6, молекулярный сдвигающий регистр 7, блок кодирования информации 8, блок декодирования информации 9, блок выделения информации 10, лазер 11, блок управления лазером 12. 3 ил., 2 табл.

Молекулярно-электронное запоминающее устройство, содержащее первый модуль накопителя, выполненный в виде интегральной матрицы динамических элементов памяти на МДП-транзисторах, управляющие входы которого подключены к соответствующим выходам первого дешифратора, адресные входы которого являются первым адресным входом устройства, блок ввода-вывода информации, информационные вход и выход которого являются соответственно информационными входами и выходом устройства, входы признаков записи, считывания и выбора модуля накопителя блока ввода-вывода информации являются с первого по третий управляющими входами устройства, блок синхронизации и управления, первый и второй выходы которого подключены соответственно к управляющим входам первого дешифратора и блока ввода-вывода информации, отличающееся тем, что в него введены второй модуль накопителя, второй дешифратор, молекулярный сдвигающий регистр, блок кодирования информации, блок декодирования информации, блок выделения информации, лазер и блок управления лазером, причем первый и второй модули накопителя электрически связаны друг с другом посредством молекулярного сдвигающего регистра таким образом, что каждый элемент памяти первого модуля накопителя соединен с соответствующим элементом памяти второго модуля накопителя соответствующей цепочкой молекулярных полимерных нитей, молекулярный сдвигающий регистр оптически связан с выходом лазера, управляющий вход которого подключен к выходу блока управления лазером, информационные входы второго модуля накопителя соединены с соответствующими выходами второго дешифратора, адресные входы которого являются вторым адресным входом устройства, информационные выходы блока ввода-вывода информации подключены к одноименным входам блока кодирования информации, информационный выход которого подключен к информационному входу второго дешифратора, выход которого подключен к информационному входу блока декодирования информации, информационный выход которого подключен ко входу блока выделения информации и информационному входу первого дешифратора, информационный выход блока выделения информации подключен ко входу блока ввода-вывода информации, выходы блока синхронизации и управления с третьего по седьмой подключены к управляющим входам соответственно второго дешифратора, блока управления лазером, блока кодирования информации, блока декодирования информации и блока выделения информации.