ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ ПРОЦЕССОР КВАНТОВОГО КОМПЬЮТЕРА И СПОСОБ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2018 года по МПК G06F1/00 

Изобретение относится к вычислительной технике, более точно к альтернативной технике - квантовым компьютерам, использующих свободные электронные пучки, формируемые с помощью элементов вакуумной электроники, являющимися не традиционными новыми элементами вычислительной техники, выполняющими функции базовых арифметических и логических операций, с целью повышения скорости вычислительных операций вне зависимости от внешних условий. Изобретение может быть использовано в мобильных компьютерных устройствах, роботах, в супер-ЭВМ, в системах быстрого автоматического распознавания образов движущихся объектов, в автономной навигации мобильной техники, в том числе в системах управления, используемых в аэронавтике, космонавтике и др. отраслях науки и техники.

Предшествующий уровень техники

Известны устройства [1-4] компьютерной оптики, представляющие собой аналоговые оптические процессоры, цифровые оптические процессоры и оптические процессоры нечеткой логики, процессоры последнего типа делят на две группы: логические процессоры, реализующие строго определенный набор логических операций, и системы логического вывода, известные также под термином "нечеткая ассоциативная память", реализующие более сложные операции, относящиеся к классу нечетких ассоциаций. Входная информация представляется матрицами из полупроводниковых лазеров, соединенных планарными волноводами с обычной (стеклянной) оптикой и с матрицами переключения, на основе дифракционных оптических элементов. Ядро процессора обычно оптическое, состоящее из массивов модуляторов света (работающих на отражение света) и набора стеклянных линз. Выходная информация представляется в электронном виде с помощью фотоприемников излучения (интегрированных в массив аналого-светового преобразования), образующие матрицу фотодиодов, совмещенную с матрицей диодов.

Недостатком этих устройств является то, что ядра процессоров содержат оптические элементы: стеклянную оптику в виде набора стеклянных линз, массивы дифракционных оптических элементов - жидких кристаллов, зеркал, эшелетов, волоконную оптику, которые плохо интегрируются и требуют специального крепления, а вместе с ним обладают неприемлемыми габаритными размерами.

Недостатком таких устройств также является то, что в качестве носителя информации является свет, информативность которого много меньше информативности электронного пучка.

Недостатком этих устройств также является то, что устройства содержат не интегрируемую систему жидких кристаллов, от которых зависит быстродействие данного устройства. Их граничная частота следования импульсов составляет всего ~1 МГц.

Недостатком этих устройств также является то, что устройства содержат не интегрируемую стеклянную оптику в виде набора стеклянных линз, которые не могут изменять оптические свойства. Они не управляемы, что ограничивает возможности оптических квантовых компьютеров.

Недостатком этих устройств также является то, что оптические устройства не позволяют осуществлять переналадку (перестройку) оптической схемы процессора во время решения задачи для обеспечения требуемых вычислительных операций.

Недостатком этих устройств также является то, что в оптических устройствах невозможно изменять физические свойства потока света, например, длину волны или фазу электромагнитной волны.

Раскрытие изобретения

Задача настоящего изобретения заключается в разработке способа, позволяющего осуществлять производство арифметических и логических вычислительных операций, с помощью устройства состоящего из эмиттера электронов, управляемых интегрируемых сверхминиатюрных электронных линз, управляемых интегрируемых сверхминиатюрных систем позиционирования электронных пучков и корректирующих их аберрации (отклоняющие системы и корректоры аберраций). Входная информация представляется источником электронов с матрицами из управляемых интегрируемых сверхминиатюрных электронных линз. Ядро процессора состоит из массивов модуляторов электронного пучка (управляемых интегрируемыми сверхминиатюрными электронными линзами, работающими на просвет) и массива управляемых интегрируемых сверхминиатюрных систем позиционирования электронных пучков и корректоров аберраций. Количество таких массивов зависит от типа и назначения квантового электронно-лучевого компьютера. Выходная информация представляется в электронном виде с помощью полупроводниковых приемников чувствительных к потоку свободных электронов, интегрированных в массив аналого-электронного преобразования, образующие полупроводниковую матрицу, совмещенную с матрицей из диодов.

Задачей изобретения является разработка электронно-лучевого процессора для осуществления предлагаемого способа и устройства, позволяющих обеспечить производство вычислительных операций с большой скоростью вычислительных операций (в 1000 раз большей, чем у полупроводниковых и оптических компьютеров), так как электронно-лучевая система не избыточна, каждый ее элемент работает в полную силу, а обработка информации осуществляется не последовательно, а одновременно (скорость вычислений зависит только от скорости движения электронов).

Другой задачей изобретения является разработка электронно-лучевого процессора для осуществления предлагаемого способа и устройства, позволяющих обеспечить производство вычислительных операций больших массивов информации при большой скорости вычислений (в 1000 раз большей, чем у полупроводниковых и оптических компьютеров).

Третей задачей изобретения является разработка электронно-лучевого процессора для осуществления предлагаемых способа и устройства, позволяющего быструю программируемую перестройку (переналадку) электронно-лучевой схемы процессора для обеспечения требуемых вычислительных операций, не снижая большой производительности вычислений.

Четвертой задачей изобретения является разработка электронно-лучевого процессора для осуществления предлагаемых способа и устройства, позволяющего управление электронно-оптическими элементами для выполнения различных вычислительных операций без остановки и перепрограммирования компьютера.

Пятой задачей изобретения является разработка электронно-лучевого процессора для осуществления предлагаемых способа и устройства, позволяющего полную интеграцию всех элементов для уменьшения габаритных размеров устройства.

Шестой задачей изобретения является разработка электронно-лучевого процессора для осуществления предлагаемых способа и устройства, позволяющих обеспечить производство вычислительных операций больших массивов информации при воздействии внешних факторов: любой температурной обстановки, любой интенсивности радиационного излучения, при воздействии СВЧ излучения.

Седьмой задачей изобретения является разработка электронно-лучевого процессора для осуществления предлагаемых способа и устройства, позволяющих обеспечить производство вычислительных операций, являющегося системой с перестраиваемой логикой в любой момент.

Восьмой задачей изобретения является разработка электронно-лучевого процессора, обеспечивающего интегральное изготовление элементов процессора.

Традиционная цифровая система и квантовая фотонная система являются системами с жесткой логикой. Любая система на жесткой логике обязательно представляет собой специализированную систему, настроенную исключительно на одну задачу или реже на близкую задачу. Предлагаемая электронно-лучевая система лишена этого недостатка, так как ее логика может перестраиваться.

Краткое описание чертежей

На чертежах фиг. 1 схематично изображен электронно-лучевой процессор для реализации предлагаемого способа; на фиг. 2 изображена схема электронно-лучевых процессоров с строенным ЭОПом; на фиг. 3 изображена схема структуры общей шинной системы электронно-лучевого процессора. Фиг. 1. Схема конструкции ЭЛВ: 1 - корпус электронно-лучевого процессора; 2 - электронная пушка; 3 - управляемый электронный транспарант; 4 - соединительные электроды; 5 - система отклонения электронных пучков; 6 - электронная линза-анализатор; 7 - второй управляемый электронный транспарант; 8 - вторая система отклонения электронных пучков; 9 - вторая электронная линза-анализатор; 10 - полупроводниковый приемник 10. Фиг. 2. Схема конструкции ЭЛВ с ЭОП: 1 - катод ЭОПа; 2 - анод ЭОПа электронно-лучевого процессора; 3 - управляемый электронный транспарант; 4 - соединительные электроды; 5 - система отклонения электронных пучков; 6 - электронная линза-анализатор; 7 - второй управляемый электронный транспарант; 8 - вторая система отклонения электронных пучков; 9 - вторая электронная линза-анализатор; 10 - полупроводниковый приемник 10. Фиг. 3. Схема структуры общей шинной системы электронно-лучевого процессора.

Лучший вариант осуществления изобретения

Предлагаемое устройство - электронно-лучевой процессор для реализации предлагаемого способа включает в себя корпус 1 (фиг. 1), внутри вакуумного пространства которого 2 размещаются элементы электронно-лучевого процессора. Корпус электроннолучевого процессора выполняется из электроизоляционного вакуумного материала с возможностью размещения в нем элементов электронно-лучевого процессора. Снаружи корпус покрыт экраном, защищающим электронные пучки от электромагнитных полей. На поверхности корпуса размещены штыри для соединения элементов электроннолучевого процессора с элементами питания и управления. Блок ввода информации состоит из источника эмиссии электронного пучка с конденсором 2 формирующим электронный пучок на поверхности управляемого электронного транспаранта 3, состоящего из массива управляемых электронных микролинз (электростатических или магнитных, или с совмещенными полями), электроды или обмотки которых соединены проводниками со штырями на внешней поверхности корпуса.

Основу конструкции электронно-лучевого процессора составляет корпус 1, внутри которого размещается электронная пушка с конденсором 2, управляемый электронный транспарант 3, состоящий из множества управляемых электронных микролинз (электростатических или магнитных или с совмещенными полями), встроенных в тело транспаранта, электроды или обмотки которых соединены проводниками со штырями на внешней поверхности корпуса устройства 4, система отклонения электронных пучков 5, электронная линза-анализатор 6 (электростатическая или магнитная или с совмещенными полями) соединенной со штырями на поверхности корпуса устройства, осуществляющая разложение изображения создаваемого транспарантом 3 в спектр, элементы 3, 5, 6, могут повторяться (7, 8, 9) в зависимости от конструкции процессора, формируемый этими элементам, сигнал (пучок электронов) регистрируется полупроводниковыми приемниками 10 чувствительными к потоку свободных электронов, интегрированных в массив аналого-электронного преобразования, образующего полупроводниковую матрицу, совмещенную и соединенную с матрицей из диодов через штыри, размещенные на торце корпуса. На фиг. 2 представлена схема ЭЛВ совмещенная с электронно-оптическим преобразователем (ЭОП): управляемый электронный транспарант 3, электронная линза-анализатор 6, система отклонения электронных пучков 5 и аналогичные элементы 7, 8, 9, и наконец, полупроводниковый приемник 10.

Для достижения максимальной универсальности и упрощения протоколов обмена информацией в электронно-лучевых процессорных системах применяется так называемая шинная структура связей между отдельными устройствами, входящими в систему. При шинной структуре связей осуществляется пересылка всех информационных потоков в нужном направлении. Типичная структура электронно-лучевой процессорной системы включает в себя три основных устройства: процессор; устройства ввода/вывода, служащие для связи электронно-лучевой системой с внешними устройствами, для приема входных сигналов и выдачи выходных сигналов. Все устройства процессорной системы объединяются общей системной шиной. Системная магистраль включает в себя четыре основные шины нижнего уровня: шина адреса; шина данных; шина управления; шина питания.

На фиг. 2 представлено предлагаемое устройство, предназначенное, в основном, для распознавания образов и автономной навигации той же конструкции, что представленной на фиг. 1, и отличающееся лишь тем, что вместо источника эмиссии электронов или вместо телевизионного зрение, либо фотообъектива с фотодиодной матрицей, используется электронно-оптический преобразователь (ЭОП), часть которого (объектив, фотокатод и электронная линза), интегрирована в электронно-лучевой вычислитель и создает электронное изображение объекта, перенося его в электронном виде на лицевую поверхность электронно-лучевого транспаранта. Техническое (телевизионное) зрение, либо фотообъектив с фотодиодной матрицей подключаются к управляемому электроннолучевому транспаранту через массив ячеек оперативной памяти.

Согласно заявленному способу электронно-лучевой процессор работает следующим образом. Известно, что электронные пучки значительно отличаются от потоков фотонов (света) и электронных потоков, движущихся по проводникам тем, что они обладают более высокой степенью информативности, не только за счет более короткой длины волны Дебройля, но и за счет возможности управления изменением величины длины волны, изменением фазы колебаний этой волны, изменением ее поляризации, изменением пространственного положения электронного пучка. Эти свойства электронных пучков обеспечивают им высокие показатели качества при использовании их в электронно-лучевых процессорах. С их помощью можно выполнять арифметические и логические операции, перемножать матрицы на векторы или матрицы на матрицы, быстро идентифицировать и распознавать образы движущихся объектов. Для осуществления этих операций используются свойства элементов вакуумной электроники (миниатюрных электронных линз, электронных призм, электронных зеркал, электронных стигматоров, электронных корректоров аберраций). Известно, что за пределами фокальной плоскости линз возникает спектр объекта. Эта математическая операция положена в основу ряда вычислительных процессов электронных линз. Ядро процессора составляют миниатюрные электронные линзы, объединенные в массивы - управляемые электронно-лучевые транспаранты с множеством миниатюрных электронных линз. Вычислительные процессы осуществляются путем управления параметрами миниатюрных электронных линз и призм. Каждая вычислительная операция осуществляется за время равное времени пролета пучка электронов через процессор. Переход к следующей операции осуществляется тактовыми импульсами. Типичная структура электронно-лучевой процессорной системы включает в себя три основных устройства: процессор; устройства ввода/вывода, служащие для связи электронно-лучевой системы с внешними устройствами, для приема входных сигналов и выдачи выходных сигналов. Все устройства процессорной системы объединяются общей системной шиной (фиг. 3).

Промышленная применимость

Изобретение может быть использовано в мобильных компьютерных устройствах, в роботах и роботизированных технических системах, в супер-ЭВМ, в системах быстрого автоматического распознавания образов движущихся объектов, в устройствах автономной навигации мобильной техники, в том числе в различных системах управления с помощью компьютеров, используемых в аэронавтике, космонавтике и др. отраслях науки и техники.

Источники информации

1. Carts Y.A. Optical computing nears reality // Laser Focus World/ 1990/V/ 26/ Р/ 53-54.

2. Исихара С. Оптические компьютеры: Новая эра науки. - М.; Наука. 1992.

3. Guilfoyle P.S., McCallum D.S. High-speed low-energy digital optical prosessor. // Optical Engineering. 1996. V. 35. P. A3-A9.

4. Аверкин A.H., Быковский А.Ю. Оптоэлектронное логическое устройство, Патент РФ 2128356.

Изобретение относится к вычислительной технике. Технический результат заключается в расширении арсенала средств того же назначения. Система электронно-лучевого процессора квантового компьютера, содержащая одно или несколько ядер процессора, состоящих из управляемых электронных линз в виде объективов или конденсоров, управляемых электронно-лучевых транспарантов, электронных призм, как и отклоняющих систем или корректоров аберраций, размещенных в корпусе из диэлектрического материала и защищенные экраном из ферромагнитных материалов, вместе с блоками ввода/вывода информации, формирующими электронный пучок на поверхности управляемого электронного транспаранта, вокруг которых располагаются металлические электроды микро-линз и призм, и проводники обмоток линз и разводки на диэлектрических пластинах с двух сторон, представляющие собой массив управляемых электронных микро-линз с электростатическими или магнитными или с совмещенными полями, электроды или обмотки которых соединены проводниками со штырями на поверхности корпуса, вычислительные процессы осуществляется путем управления параметрами миниатюрных электронных линз и призм, с использованием управляемых электронно-лучевых транспарантов. 5 н. и 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Система электронно-лучевого процессора квантового компьютера, содержащая, по крайней мере, одно или несколько ядер процессора, состоящих из управляемых электронных линз в виде объективов или конденсоров, управляемых электронно-лучевых транспарантов, состоящих из множества миниатюрных электронных линз, электронных призм, как и отклоняющих систем или корректоров аберраций, размещенных в вакуумном корпусе из диэлектрического материала и защищенные экраном из ферромагнитных материалов, вместе с блоками ввода/вывода информации, блок ввода информации состоит из источника эмиссии электронного пучка с конденсором, формирующим электронный пучок на поверхности управляемого электронного транспаранта, представляющего собой тонкую пластину из диэлектрика или металла с множеством микроотверстий, вокруг которых методом планарной технологии располагают металлические электроды микро-линз и призм, и проводники обмоток линз и разводки на диэлектрических пластинах с двух сторон, а на металлических - с одной стороны, отделяемые от металла диэлектрической пленкой, представляющие собой массив управляемых электронных микро-линз с электростатическими или магнитными, или с совмещенными полями, электроды или обмотки которых соединены проводниками со штырями на поверхности корпуса, основу одного ядра или более ядра составляют указанные управляемые электронно-лучевые транспаранты, и электронные линзы, вычислительные процессы осуществляется путем управления параметрами миниатюрных электронных линз и призм, с использованием управляемых электронно-лучевых транспарантов, и каждая вычислительная операция осуществляется за время, равное времени пролета пучка электронов через процессор, вывод информации осуществляется полупроводниковыми приемниками, чувствительными к потоку свободных электронов, интегрированных в массив аналого-электронного преобразования, образующего полупроводниковую матрицу, совмещенную и соединенную с матрицей из диодов через штыри, размещенные на корпусе, все устройства процессора объединяют общей системной шиной, а системная магистраль процессора включает четыре основные шины нижнего уровня: шину адреса, шину данных, шину управления, шину питания, причем указанные управляемые электронно-лучевые транспаранты с электронно-оптическими элементами изготавливаются по планарной технологии, а магнитные линзы и линзы с совмещенными электростатическими и магнитными полями имеют магнитопроводы из магнитомягких материалов, не замкнутые с двух сторон, зазор между элементами указанного магнитопровода выполняет роль полюсного наконечника, а элементы магнитопровода одновременно выполняют роль электростатической линзы и магнитной линзы, все указанные линзы имеют сквозные отверстия по центру, вокруг которых располагаются плоские обмотки магнитных микролинз.

2. Система по п. 1. отличается от известных тем, что обладает гибкостью управления физическими параметрами электронных пучков.

3. Система по п. 1 отличается тем, что электронно-оптические микроэлементы объединяют в массивы управляемых интегрируемых сверхминиатюрных систем позиционирования электронных пучков и корректоров аберраций, расположенные на плоскости транспаранта.

4. Система по п. 1 отличается тем, что электронные линзы позволяют изменять индивидуально скорость и фазы каждого электронного луча, работают в режиме формирования пространственного частотного спектра анализируемого изображения объекта, формируемого транспарантом или электронно-оптическим преобразователем.

5. Система по п. 1 отличается тем, что для ввода информации используют техническое или телевизионное зрение, или фотообъектив с фотодиодной матрицей, которые подключают к управляемому электронно-лучевому транспаранту через массив ячеек оперативной памяти.

6 Система по п. 1 отличается тем, что для ввода информации электронно-оптический преобразователь интегрируют в электронно-лучевой вычислитель.

7. Система по п. 1 отличается тем, что используют источник электронов с термокатодом или полевым катодом; помещаемый в соленоид с магнитным полем.

8. Система по п. 1 отличается тем, что используют жесткую или перестраиваемую логику.

9. Система по п. 1 отличается тем, что устойчива к любым внешним условиям: температуре, радиации, магнитному, СВЧ-полю.

10. Способ производства вычислительных операций, отличающийся тем, что при решении математических и логических задач поток свободных электронов, генерируемый системой в вакуумное пространство по любому из пп. 1-8, взаимодействует с множеством продольных, аксиально-симметричных электрических и магнитных полей электростатических и магнитных линз, и поперечных электрических и магнитных полей отклоняющих систем.

11. Способ производства вычислительных операций, отличающийся тем, что при решении математических и логических задач используется процедура разложения образа объекта электронной линзой в спектр, с логарифмированием этого спектра, используя процедуру астигматизма изображения спектра посредством электронных призм или цилиндрических линз, или систем отклонения электронов системой по любому из пп. 1-8.

12. Способ производства вычислительных операций по пп. 1-8, отличающийся тем, что при осуществлении вычислительных операций управление электронными пучками осуществляют с помощью электрических и магнитных полей за счет управления параметрами электронных линз и призм с использованием управляемых лучевых транспарантов системы по любому из пп. 1-8.

13. Способ производства вычислительных операций по пп. 1-8, отличающийся тем, что изменение энергии и фаз электронов в каждом электронном пучке осуществляют за счет управления параметрами электронных линз и призм с использованием управляемых лучевых транспарантов системы по любому из пп. 1-8.