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.

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

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

Оптические многофункциональные логические наноэлементы 1_{i, 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 4_{i, i=1,Q} и Q-входные оптические многофункциональные логические наноэлементы 6_{i, 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 4_{i, 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 6_{i, 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 1_{i, i=1,N} подключены ко входам нечетных Q-выходных оптических наноусилителей 2_{i, i=1,2N-1}. Инверсные выходы оптических многофункциональных логических наноэлементов 1_{i, i=1,N} подключены ко входам четных Q-выходных оптических наноусилителей 2_{i, 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 4_i. Q выходы Q-выходных оптических наноусилителей через поле программирования 3₁ подключены к входам 2N-входного оптического многофункционального логического наноэлемента 4_Q.

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 4_i подключен ко входу М-выходного оптического наноусилителя 5_i. Инверсный выход 2N-входного оптического многофункционального логического наноэлемента 4_Q подключен ко входу М-выходного оптического наноусилителя 5_М.

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

Поля программирования 3_{i ,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 3_{i, 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 4_{i, i=1,Q} может принимать значения 0 или 1. Отсутствие связи в поле программирования 3_{i, i=1,2} приведет к наличию на входе 2N-входных оптических многофункциональных логических наноэлементов 4_{i, i=1,Q} сигнала 0. Наличие хотя бы одного сигнала 0, независимо от значений остальных сигналов на входах логического элемента, выполняющего функцию H(x₁,…x_N), 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(X_N) на входе первого 2N-входного оптического многофункционального логического наноэлемента 4₁;

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

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

Следует отметить, что, исходя из равенства 1, на входы 2N-входных оптических многофункциональных логических наноэлементов 4_{i, 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 x_N=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…z_Q с инверсных выходов 2N-входных оптических многофункциональных логических наноэлементов 4_{i, i=1,Q} поступят на входы М-выходных оптических наноусилителей 5_{i, i=1,M}.

Оптический сигнал z₁, пройдя через поле программирования 3₂, поступает на первые входы Q-входных оптических многофункциональных логических наноэлементов 6_{i, 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»…«x_N», интенсивность сигнала на выходе «y» будет равна y=F_m(x₁·х₂…x_N∨x₁·х₂…x_N∨…x₁·х₂…x_N), 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.