ОПТИЧЕСКАЯ ПРОГРАММИРУЕМАЯ ЛОГИЧЕСКАЯ МАТРИЦА Российский патент 2015 года по МПК G06E3/00 B82B1/00 

Описание патента на изобретение RU2541933C1

Изобретение относится к средствам вычислительной техники и может быть использовано в оптических устройствах обработки информации при разработке и создании оптических вычислительных машин и приемопередающих устройств.

Известны программируемые логические матрицы, построенные на основе использования электронных функциональных элементов [Ю.Ф. Опадчий, О.П. Глудкин, А.И. Гуров]. Аналоговая и цифровая электроника. - М.: Горячая Линия - Телеком, 2000. - 768 с.], обеспечивающие выполнение логических операций. Недостатком этих устройств являются низкое быстродействие и невозможность наноразмерного исполнения.

Наиболее близким по техническому исполнению к предложенному устройству является оптическое логическое наноустройство, содержащее четыре входных оптических нановолокна, четыре оптических нановолокна, оптический нановолоконный Y-разветвитель, оптический четырехвходной нановолоконный объединитель, две телескопических нанотрубки, два источника постоянного оптического сигнала, оптический нановолоконный N-выходной разветвитель, оптический трехвходной нановолоконный объединитель, оптический нановолоконный N-входной объединитель [Патент №2408040, Россия, 27.12.2010. Оптическое логическое наноустройство / Соколов С.В., Каменский В.В.].

Недостатком данного оптического логического наноустройства является выполнение только одной логической операции и невозможность сохранения (программирования) типа выполняемой логической операции.

Заявленное изобретение направлено на решение задачи построения программируемой логической матрицы в наноразмерном исполнении с быстродействием, потенциально достижимым для чисто оптических устройств обработки информации, и задачи реализации устройства в наноразмерном исполнении.

Поставленные задачи возникают при разработке и создании оптических вычислительных наномашин или приемо-передающих наноустройств, обеспечивающих обработку информации в тера- и гигагерцовом диапазонах.

Заявленное устройство строится на основе оптических нановолокон, варианты технического исполнения которых описаны в [Оптика наноструктур / Под редакцией А.В. Федорова. СПб.: «Недра», 2005; Krenn J.R., Dereux A., Weeber J.C., et al. Squeezing the optical near-field zone by plasmon coupling of metal nanoparticles. Physical Review Letters, 1999, 82, 12, 2590], и оптических многофункциональных логических наноэлементов [Патент №2433437, Россия, 10.10.2011. Оптический многофункциональный логический наноэлемент / Соколов С.В., Каменский В.В.]. Оптический многофункциональный логический наноэлемент позволяет реализовать функции "И", "ИЛИ", "НЕ". В данном устройстве используются функции "НЕ", "ИЛИ".

Сущность изобретения состоит в том, что оптическая программируемая логическая матрица, содержащая оптические многофункциональные логические наноэлементы, Q-выходные оптические наноусилители, поля для программирования, 2N-входные оптические многофункциональные логические наноэлементы, М-выходные оптические наноусилители, Q-входные оптические многофункциональные логические наноэлементы, причем входами являются входы оптических многофункциональных логических наноэлементов, неинверсные выходы оптических многофункциональных логических наноэлементов подключены ко входам нечетных Q-выходных оптических наноусилителей, инверсные выходы оптических многофункциональных логических наноэлементов подключены ко входам четных Q-выходных оптических наноусилителей, первые выходы Q-выходных оптических наноусилителей через первое поле программирования подключены к входам первого 2N-входного оптического многофункционального логического наноэлемента, выходы i Q-выходных оптических наноусилителей через первое поле программирования подключены к входам i-го 2N-входного оптического многофункционального логического наноэлемента, Q выходы Q-выходных оптических наноусилителей через первое поле программирования подключены к входам Q-го 2N-входного оптического многофункционального логического наноэлемента, инверсный выход первого 2N-входного оптического многофункционального логического наноэлемента подключен ко входу первого М-выходного оптического наноусилителя, инверсный выход i-го 2N-входного оптического многофункционального логического наноэлемента подключен ко входу i-го М-выходного оптического наноусилителя, инверсный выход Q-го 2N-входного оптического многофункционального логического наноэлемента подключен ко входу М-го М-выходного оптического наноусилителя, первые выходы М-выходных оптических наноусилителей второе поле программирования подключены к входам первого Q-входного оптического многофункционального логического наноэлемента, выходы i М-выходных оптических наноусилителей через второе поле программирования подключены к входам i-го Q-входного оптического многофункционального логического наноэлемента, М выходы М-выходных оптических наноусилителей через второе поле программирования подключены к входам М-го оптического многофункционального логического наноэлемента, неинверсные выходы Q-входных оптических многофункциональных логических наноэлементов являются выходами устройства.

На фиг.1 представлена функциональная схема оптической программируемой логической матрицы.

Устройство состоит из оптических многофункциональных логических наноэлементов 1i, i=1,N, Q-выходных оптических наноусилителей 2i, i=1,2N, полей программирования 3i, i=1,2, 2N-входных оптических многофункциональных логических наноэлементов 4i, i=1,Q, М-выходных оптических наноусилителей 5i, i=1,M, Q-входных оптических многофункциональных логических наноэлементов 6i, i=1,M.

Информационными входами устройства «х1…xN» являются входы оптических многофункциональных логических наноэлементов 1i, i=1,N. Выходами устройства y1…yM являются неинверсные выходы Q-входных оптических многофункциональных логических наноэлементов 6i, i=1,M.

Оптические многофункциональные логические наноэлементы 1i, i=1,N работают в режиме инверсии (логического элемента "НЕ"). Для работы в режиме инверсии на входе выбора логической функции "F" и первом входе аргумента должны быть оптические сигналы интенсивностью 0 усл. ед. Входной информационный сигнал подается на второй вход оптического многофункционального логического наноэлемента. На первом выходе оптического многофункционального логического наноэлемента появляется не инвертированный сигнал, а на втором выходе инвертированный сигнал.

2N-входные оптические многофункциональные логические наноэлементы 4i, i=1,Q и Q-входные оптические многофункциональные логические наноэлементы 6i, i=1,M работают в режиме логического элемента "ИЛИ". Для работы в режиме "ИЛИ" на входе выбора логической функции "F" должен быть оптический сигнал интенсивностью 0 усл. ед.

На входы 1…2N 2N-входных оптических многофункциональных логических наноэлементов 4i, i=1,Q подаются оптические сигналы. При наличии хотя бы на одном из входов сигнала интенсивностью 1 усл. ед. на первом выходе оптического многофункционального логического наноэлемента появляется сигнал интенсивностью 1 усл. ед, а на втором выходе инвертированный сигнал 0 усл.ед.

На входы 1…М М-входных оптических многофункциональных логических наноэлементов 6i, i=1,M подаются оптические сигналы. При наличии хотя бы на одном из входов сигнала интенсивностью 1 усл. ед. на первом выходе оптического многофункционального логического наноэлемента появляется сигнал интенсивностью 1 усл. ед, а на втором выходе инвертированный сигнал 0 усл. ед.

Неинверсные выходы оптических многофункциональных логических наноэлементов 1i, i=1,N подключены ко входам нечетных Q-выходных оптических наноусилителей 2i, i=1,2N-1. Инверсные выходы оптических многофункциональных логических наноэлементов 1i, i=1,N подключены ко входам четных Q-выходных оптических наноусилителей 2i, i=2,2N.

Первые выходы Q-выходных оптических наноусилителей через поле программирования 31 подключены к входам 2N-входного оптического многофункционального логического наноэлемента 41. Выходы i Q-выходных оптических наноусилителей через поле программирования 31 подключены к входам 2N-входного оптического многофункционального логического наноэлемента 4i. Q выходы Q-выходных оптических наноусилителей через поле программирования 31 подключены к входам 2N-входного оптического многофункционального логического наноэлемента 4Q.

Инверсный выход 2N-входного оптического многофункционального логического наноэлемента 41 подключен ко входу М-выходного оптического наноусилителя 51. Инверсный выход 2N-входного оптического многофункционального логического наноэлемента 4i подключен ко входу М-выходного оптического наноусилителя 5i. Инверсный выход 2N-входного оптического многофункционального логического наноэлемента 4Q подключен ко входу М-выходного оптического наноусилителя 5М.

Первые выходы М-выходных оптических наноусилителей 5i, i=1,M через поле программирования 32 подключены к входам Q-входного оптического многофункционального логического наноэлемента 61. Выходы i М-выходных оптических наноусилителей 5i через поле программирования 32 подключены к входам Q-входного оптического многофункционального логического наноэлемента 6i. М выходы М-выходных оптических наноусилителей через поле программирования 32 подключены к входам оптического многофункционального логического наноэлемента 6М.

Поля программирования 3i ,i=1,2 могут выполняться однократно и многократно программируемыми.

При производстве однократно программируемых оптических программируемых логических матриц на этапе производства формируются все возможные оптические связи, а при программировании пользователем производится удаление ненужных связей. Для удаления ненужных связей может использоваться лазер. Например, лазер, используемый для записи дисков Blu-ray [Disclosure of Specifications for Large Capacity Optical Disc Recording Format Utilizing Blue-Violet Laser Blu-ray Disc Begins (Tokyo Japan, 20 May, 2002)] с длиной волны 405 нм, позволяет осуществлять запись пиитов длиной 0.138 мкм на дорожках с расстоянием 0,32 мкм. Таким образом, при размещении нановолноводов на расстоянии более 0,32 мкм возможно разрушение нановолновода лазером. Учитывая соотношение диаметра нановолновода к диаметру фокусировки лазера, возможна ситуация, при которой оптический сигнал одного нановолокна через промежуток, удаленный лазером, попадет во второе нановолокно. Чтобы избежать этого, нановолокна в зоне программирования располагаются в виде латинской буквы «U», а лазером удаляется область от одного поворота до другого. В данном случае оптический сигнал ни при каких обстоятельствах не попадет из одного нановолновода в другой.

При производстве многократно программируемых оптических программируемых логических матриц поля программирования 3i, i=1,2 состоят из двух оптических волноводов и вещества, находящегося между ними, способного изменять свои оптические свойства. Программирование заключается в изменении оптических свойств вещества, находящегося между двумя волноводами. Вещество в зависимости от окружающей температуры может находиться в твердом и жидком агрегатном состоянии. Твердое агрегатное состояние может быть кристаллическим и аморфным. При плавном охлаждении вещество переходит в кристаллическое состояние. При быстром охлаждении атомы вещества не успевают занять соответствующие места в кристаллической решетке, и вещество переходит в аморфное состояние. Коэффициент пропускания вещества в аморфном состоянии значительно меньше, чем в кристаллическом состоянии, что позволяет использовать данный эффект для осуществления разрыва связей в оптических матрицах. Например, при производстве перезаписываемых CD-RW используется халькогенидное стекло - сплав серебра, индия, сурьмы и теллура. Кроме этого, разработан способ записи оптической информации на основе диоксида титана [Discovery of an optically induced ON-OFF metal oxide / Press Releases UNIVERSITY of Tokio / May 24, 2010]. Нанокристалы под влиянием УФ-излучения переходят из одного состояния в другое. Возвращение в исходное состояние осуществляется при воздействии излучения меньшей длины волны. По расчетным данным при использовании диоксида титана плотность записи может повыситься в 500 раз по сравнению с дисками Blu-ray.

Оптический сигнал на входе 2N-входных оптических многофункциональных логических наноэлементов 4i, i=1,Q может принимать значения 0 или 1. Отсутствие связи в поле программирования 3i, i=1,2 приведет к наличию на входе 2N-входных оптических многофункциональных логических наноэлементов 4i, i=1,Q сигнала 0. Наличие хотя бы одного сигнала 0, независимо от значений остальных сигналов на входах логического элемента, выполняющего функцию H(x1,…xN), приведет к появлению 0 на его выходе. Для того, чтобы исключить описанную ситуацию, воспользуемся равенством:

x1·x2=HE(HE(x1)vHE(x2)).

Таким образом, перейдя от операции "И" к операции "ИЛИ", удалось избежать влияния отсутствующей оптической связи на результат операции.

Устройство работает следующим образом.

Пусть требуется выполнить логическую операцию y=x1·HE(x2)∨HE(x1)-x2. Выразив функцию у через z1 и z2, получим: y=z1∨z2, где z1=x1·HE(x2), a z2=HE(x1)·x2. Предположим, что N=2. Для реализации этой функции необходимо:

- удалить перемычки X1 и HE(XN) на входе первого 2N-входного оптического многофункционального логического наноэлемента 41;

- удалить перемычки HE(X1) и XN на входе Q-го 2N-входного оптического многофункционального логического наноэлемента 4Q;

- удалить перемычки Z1 и ZQ на входе М-го Q-входного оптического многофункционального логического наноэлемента 6М.

Следует отметить, что, исходя из равенства 1, на входы 2N-входных оптических многофункциональных логических наноэлементов 4i, i=1,Q подается инверсный сигнал, т.е. сигнал на входе поля будет x1, а перемычка будет иметь название НЕ(Х1).

Пусть на входы устройства поданы оптические сигналы x1=0 и xN=1.

Оптические сигналы на входах первого 2N-входного оптического многофункционального логического наноэлемента 41 равны {0,0*,0*,0} (0* - логический сигнал при отсутствии оптической связи в поле программирования), в результате интенсивность сигнала на выходе 2N-входного оптического многофункционального логического наноэлемента 41 будет равна 0 усл. ед., а на инвертирующем выходе будет равна 1 усл. ед.

Оптические сигналы на входах второго 2N-входного оптического многофункционального логического наноэлемента 41 равны {0*,1,1,0*}, в результате на выходе сигнал будет равен 1, а на инвертирующем выходе будет равен 0.

Оптические сигналы z1…zQ с инверсных выходов 2N-входных оптических многофункциональных логических наноэлементов 4i, i=1,Q поступят на входы М-выходных оптических наноусилителей 5i, i=1,M.

Оптический сигнал z1, пройдя через поле программирования 32, поступает на первые входы Q-входных оптических многофункциональных логических наноэлементов 6i, i=i,M. Наличие оптического сигнала интенсивностью 1 усл. ед на входе первого Q-входного оптического многофункционального логического наноэлемента 61 приведет к появлению оптического сигнала интенсивностью 1 усл. ед на его выходе, который является выходом устройства y1.

Таким образом, в зависимости от оптических связей в полях программирования и оптических сигналов на входах «x1»…«xN», интенсивность сигнала на выходе «y» будет равна y=Fm(x1·х2…xN∨x1·х2…xN∨…x1·х2…xN), где Fm - требуемая логическая функция.

Простота данной оптической программируемой логической матрицы, высокое быстродействие и возможность наноразмерного исполнения делают его весьма перспективным при разработке и создании оптических вычислительных наномашин и приемо-передающих наноустройств.

Похожие патенты RU2541933C1

название год авторы номер документа
ОПТИЧЕСКОЕ КОДИРУЮЩЕЕ НАНОУСТРОЙСТВО 2011
  • Каменский Владислав Валерьевич
  • Соколов Сергей Викторович
RU2485691C1
ОПТИЧЕСКИЙ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ЛОГИЧЕСКИЙ НАНОЭЛЕМЕНТ 2010
  • Соколов Сергей Викторович
  • Каменский Владислав Валерьевич
RU2433437C1
ОПТИЧЕСКИЙ НАНОУСИЛИТЕЛЬ 2010
  • Каменский Владислав Валерьевич
  • Соколов Сергей Викторович
RU2423733C1
ОПТИЧЕСКОЕ ЛОГИЧЕСКОЕ НАНОУСТРОЙСТВО 2009
  • Каменский Владислав Валерьевич
  • Соколов Сергей Викторович
RU2408040C1
ОПТИЧЕСКИЙ АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ НАНОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ 2008
  • Соколов Сергей Викторович
  • Каменский Владислав Валерьевич
RU2371747C1
ОПТИЧЕСКИЙ НАНОСУММАТОР ПО МОДУЛЮ ДВА 2009
  • Каменский Владислав Валерьевич
  • Соколов Сергей Викторович
RU2420781C1
ОПТИЧЕСКИЙ НАНОСУММАТОР 2009
  • Каменский Владислав Валерьевич
  • Соколов Сергей Викторович
RU2419125C1
ОПТИЧЕСКИЙ АНАЛОГОВЫЙ НАНОМУЛЬТИПЛЕКСОР 2009
  • Каменский Владислав Валерьевич
  • Соколов Сергей Викторович
RU2419126C1
ОПТИЧЕСКОЕ ИНТЕГРИРУЮЩЕЕ НАНОУСТРОЙСТВО 2009
  • Соколов Сергей Викторович
  • Каменский Владислав Валерьевич
RU2399941C1
ОПТИЧЕСКОЕ УМНОЖАЮЩЕЕ НАНОУСТРОЙСТВО 2008
  • Соколов Сергей Викторович
  • Каменский Владислав Валерьевич
RU2370800C1

Реферат патента 2015 года ОПТИЧЕСКАЯ ПРОГРАММИРУЕМАЯ ЛОГИЧЕСКАЯ МАТРИЦА

Изобретение относится к средствам вычислительной техники и может быть использовано в оптических устройствах обработки информации при разработке и создании оптических вычислительных машин и приемопередающих устройств. Технический результат заключается в обеспечении построения программируемой логической матрицы в наноразмерном исполнении с быстродействием, потенциально достижимым для чисто оптических устройств обработки информации. Технический результат достигается за счет оптической программируемой логической матрицы, которая состоит из оптических многофункциональных логических наноэлементов 1i,i=i,N, Q-выходных оптических наноусилителей 2i, i=1,2,N, полей программирования 3i, i=1,2, 2N-входных оптических многофункциональных логических наноэлементов 4i, i=1,Q, М-выходных оптических наноусилителей 5i, i=i,M, Q-входных оптических многофункциональных логических наноэлементов 6i, i=1,M. 1 ил.

Формула изобретения RU 2 541 933 C1

Оптическая программируемая логическая матрица, содержащая оптические многофункциональные логические наноэлементы, Q-выходные оптические наноусилители, поля для программирования, 2N-входные оптические многофункциональные логические наноэлементы, М-выходные оптические наноусилители, Q-входные оптические многофункциональные логические наноэлементы, причем входами являются входы оптических многофункциональных логических наноэлементов, неинверсные выходы оптических многофункциональных логических наноэлементов подключены ко входам нечетных Q-выходных оптических наноусилителей, инверсные выходы оптических многофункциональных логических наноэлементов подключены ко входам четных Q-выходных оптических наноусилителей, первые выходы Q-выходных оптических наноусилителей через первое поле программирования подключены к входам первого 2N-входного оптического многофункционального логического наноэлемента, выходы i Q-выходных оптических наноусилителей через первое поле программирования подключены к входам i-го 2N-входного оптического многофункционального логического наноэлемента, Q выходы Q-выходных оптических наноусилителей через первое поле программирования подключены к входам Q-го 2N-входного оптического многофункционального логического наноэлемента, инверсный выход первого 2N-входного оптического многофункционального логического наноэлемента подключен ко входу первого М-выходного оптического наноусилителя, инверсный выход i-го 2N-входного оптического многофункционального логического наноэлемента подключен ко входу i-го М-выходного оптического наноусилителя, инверсный выход Q-го 2N-входного оптического многофункционального логического наноэлемента подключен ко входу М-го М-выходного оптического наноусилителя, первые выходы М-выходных оптических наноусилителей через второе поле программирования подключены к входам первого Q-входного оптического многофункционального логического наноэлемента, выходы i М-выходных оптических наноусилителей через второе поле программирования подключены к входам i-го Q-входного оптического многофункционального логического наноэлемента, М выходы М-выходных оптических наноусилителей через второе поле программирования подключены к входам М-го оптического многофункционального логического наноэлемента, неинверсные выходы Q-входных оптических многофункциональных логических наноэлементов являются выходами устройства.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2015 года RU2541933C1

ОПТИЧЕСКОЕ ЛОГИЧЕСКОЕ НАНОУСТРОЙСТВО 2009
  • Каменский Владислав Валерьевич
  • Соколов Сергей Викторович
RU2408040C1
ОПТИЧЕСКИЙ ЦИФРОВОЙ СТРАНИЧНЫЙ УМНОЖИТЕЛЬ С ПЛАВАЮЩЕЙ ТОЧКОЙ 1998
  • Вербовецкий А.А.
RU2137179C1
ОПТОЭЛЕКТРОННЫЙ ПРОЦЕССОР 2001
  • Быковский А.Ю.
RU2212046C2
Устройство для логической обработки изображений 1989
  • Красиленко Владимир Григорьевич
  • Дубчак Виктор Николаевич
  • Билык Владимир Ильич
  • Фролов Вадим Дмитриевич
SU1711201A1
US 5220642 A, 15.06.1993
US 4999486 A, 12.03.1991

RU 2 541 933 C1

Авторы

Каменский Владислав Валерьевич

Соколов Сергей Викторович

Даты

2015-02-20Публикация

2014-03-27Подача