Оптическая программируемая логическая матрица


 


Владельцы патента RU 2541933:

Каменский Владислав Валерьевич (RU)
Соколов Сергей Викторович (RU)

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.

 

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.

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.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к компьютерным системам, в частности к квантовым компьютерам и оптическим логическим элементам, и может быть использовано для полного определения состояния кубита.

Изобретение относится к оптическим кодирующим устройствам, выдающим логические двоичные сигналы, характеризующие приращения относительного положения двух элементов (10, 11) кодирующего устройства.

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в оптических устройствах обработки информации, построенных на основе нечеткой логики. .

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в оптических наноустройствах обработки информации для селекции оптических сигналов. .

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в оптических наноустройствах обработки информации для выбора (селекции) минимального сигнала из совокупности оптических сигналов, подаваемых на его вход.

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в оптических наноустройствах обработки информации для выбора (селекции) минимального сигнала из совокупности оптических сигналов, подаваемых на его вход.

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.

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в оптических устройствах обработки информации, построенных на основе непрерывной (нечеткой) логики.

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в оптических наноустройствах обработки информации для выбора (селекции) максимального сигнала из совокупности оптических сигналов, подаваемых на его вход.

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в оптических устройствах обработки информации, построенных на основе нечеткой логики. .

Изобретения относятся к жидкой композиции для получения фотополимеризационноспособной пленки для записи голограмм, способу получения такой жидкой композиции и способу получения фотополимеризационноспособной пленки.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в зондовой сканирующей микроскопии и атомно-силовой микроскопии для диагностирования и исследования наноразмерных структур.

Изобретение относится к полупроводниковым нитридным наногетероструктурам и может быть использовано для изготовления светодиодов видимого диапазона с длиной волны 460±5 нм.
Изобретение относится к медицине и ветеринарии и может быть использовано для лечения и профилактики эхинококкозов и других цестодозов человека и животных. Описан гель, содержащий структурированные нановезикулы - ниосомы, изготовленные на основе кремнийорганических соединений с включенным в них антигельминтным препаратом - альбендазолом.

Изобретение относится к фармацевтической промышленности и представляет собой средство внутриклеточной доставки биологически активного высокомолекулярного соединения, содержащее высокомолекулярное соединение, выбранное из белка сыворотки молока, пептидных фрагментов белка сыворотки молока, белка вируса трансмиссивного гастроэнтерита свиней, термостабильного белка туберкулина, выделенного из микобактерии Mycobacterium bovi, белка M1 вируса гриппа штамма PR8, белка вируса ящура VP1, наночастицы - коллоидный селен, дистиллированную воду, причем компоненты в средстве находятся в определенном соотношении в мас.%.

Группа изобретений относится к области нанотехнологий, в частности к технологиям получения углеродных наноструктур и наноматериалов для применения в качестве подложек для нанесенных катализаторов, высокопрочных наполнителей, и касается полых углеродных наночастиц, углеродного наноматериала и способа его получения.

Изобретение относится к биотехнологии. Описываются самоорганизующиеся пептидные наночастицы (SAPN), включающие эпитопы Т-клеток и/или эпитопы В-клеток.

Изобретение относится к области нанотехнологий и может быть использовано в медицине, фармацевтике, косметологии. Наночастицы платиновых металлов получают в прозрачной жидкости на водной основе 7 при разрушении мишени 6 из платинового металла или сплава кавитацией, возникающей путем доставки лазерного излучения 2, представленного в виде импульсов сфокусированного излучения лазера на парах меди 1 с величиной энергии импульса 1-5 мДж и длительностью импульса 20 нс, с частотой следования импульсов 10-15 кГц и плотностью мощности 5,7 ГВт/см2, через прозрачное дно кюветы 5 к мишени 6, помещенной в кювету 5 с прозрачной жидкостью на водной основе 7.

Изобретение относится к области нанотехнологии и наноэлектроники. Способ формирования наноразмерной пленки карбида вольфрама включает нанесение на полупроводниковую или диэлектрическую подложку в процессе импульсно-плазменного осаждения на двуканальной установке импульсного осаждения электроэрозионной дуговой плазмы двухслойной структуры покрытия суммарной толщиной 5 нм, состоящей из пленки вольфрама и пленки углерода, и карботермический синтез в вакууме при давлении не выше 5·10-4 Па и температуре не более 450°C не более 10 мин со скоростью нагрева и охлаждения не менее 25 град/мин при соотношении толщин пленок вольфрама и углерода 5:1 и 3,5:1.

Изобретение относится к медицине. Описана композиция для получения антимикробного покрытия, включающая наноразмерные частицы неорганического вещества, активное вещество, связующее и растворитель, при этом в качестве неорганического вещества содержит диоксид кремния, в качестве активного вещества содержит смесь четвертичного аммонийного соединения и хлоргексидина, в качестве растворителя содержит смесь этилцеллозольв и бутилцеллозолв, а в качестве связующего содержит смесь смолы полиметилфенилсилоксановой и сополимера бутилметакрилата и метилметакрилата при следующем соотношении компонентов, масс.%: сополимер бутилметакрилата и метилметакрилата 1,70-10,0, смола полиметилфенилсилоксановая 5,0-20,0, диоксид кремния 0,5-3,0, хлоргексидин (водный 20%) 3,0-8,0, четвертичное аммонийное соединение 0,5-3,0, этилцеллозольв 20,0-50,0, бутилцеллозолв до 100%.
Изобретение относится к производству строительных материалов и может быть использовано при производстве древесно-минеральных плит и отделочных материалов в промышленном и гражданском строительстве. Технический результат заключается в повышении прочности, водостойкости. Нанострутурированный древесно-минеральный композитный материал, включающий древесный заполнитель, связующее и воду, дополнительно содержит армирующий наполнитель из базальта со средним размером частиц 50-100 нм, а в качестве древесного заполнителя используют древесину хвойных пород в виде микродиспергированных частиц древесины со средним размером частиц 1-2 мкм при следующем соотношении компонентов, мас.%: древесина 40-55, базальт 30-40, гашеная известь 10-15, вода остальное. 1 табл.
Наверх