ОПТИЧЕСКАЯ ПРОГРАММИРУЕМАЯ ЛОГИЧЕСКАЯ МАТРИЦА
OPTICAL PROGRAMMABLE LOGIC ARRAY

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.
i, i=1,N
i, i=1,2N
i, i=1,2
i, i=1,Q
i, i=1,M
i, i=1,M
Устройство состоит из оптических многофункциональных логических наноэлементов 1, Q-выходных оптических наноусилителей 2, полей программирования 3, 2N-входных оптических многофункциональных логических наноэлементов 4, М-выходных оптических наноусилителей 5, Q-входных оптических многофункциональных логических наноэлементов 6.
1
N
i, i=1,N
1
M
i, i=1,M
Информационными входами устройства «х…x» являются входы оптических многофункциональных логических наноэлементов 1. Выходами устройства y…y являются неинверсные выходы Q-входных оптических многофункциональных логических наноэлементов 6.
i, i=1,N
Оптические многофункциональные логические наноэлементы 1 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.
i, i=1,Q
i, i=1,M
2N-входные оптические многофункциональные логические наноэлементы 4 и Q-входные оптические многофункциональные логические наноэлементы 6 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.
i, i=1,Q
На входы 1…2N 2N-входных оптических многофункциональных логических наноэлементов 4 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.
i, i=1,M
На входы 1…М М-входных оптических многофункциональных логических наноэлементов 6 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.
i, i=1,N
i, i=1,2N-1
i, i=1,N
i, i=2,2N
Неинверсные выходы оптических многофункциональных логических наноэлементов 1 подключены ко входам нечетных Q-выходных оптических наноусилителей 2. Инверсные выходы оптических многофункциональных логических наноэлементов 1 подключены ко входам четных Q-выходных оптических наноусилителей 2.
1
1
1
i
1
Q
Первые выходы Q-выходных оптических наноусилителей через поле программирования 3 подключены к входам 2N-входного оптического многофункционального логического наноэлемента 4. Выходы i Q-выходных оптических наноусилителей через поле программирования 3 подключены к входам 2N-входного оптического многофункционального логического наноэлемента 4. Q выходы Q-выходных оптических наноусилителей через поле программирования 3 подключены к входам 2N-входного оптического многофункционального логического наноэлемента 4.
1
1
i
i
Q
М
Инверсный выход 2N-входного оптического многофункционального логического наноэлемента 4 подключен ко входу М-выходного оптического наноусилителя 5. Инверсный выход 2N-входного оптического многофункционального логического наноэлемента 4 подключен ко входу М-выходного оптического наноусилителя 5. Инверсный выход 2N-входного оптического многофункционального логического наноэлемента 4 подключен ко входу М-выходного оптического наноусилителя 5.
i, i=1,M
2
1
i
2
i
2
М
Первые выходы М-выходных оптических наноусилителей 5 через поле программирования 3 подключены к входам Q-входного оптического многофункционального логического наноэлемента 6. Выходы i М-выходных оптических наноусилителей 5 через поле программирования 3 подключены к входам Q-входного оптического многофункционального логического наноэлемента 6. М выходы М-выходных оптических наноусилителей через поле программирования 3 подключены к входам оптического многофункционального логического наноэлемента 6.
i ,i=1,2
Поля программирования 3 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.
i, i=1,2
При производстве многократно программируемых оптических программируемых логических матриц поля программирования 3 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.
i, i=1,Q
i, i=1,2
i, i=1,Q
1
N
Оптический сигнал на входе 2N-входных оптических многофункциональных логических наноэлементов 4 может принимать значения 0 или 1. Отсутствие связи в поле программирования 3 приведет к наличию на входе 2N-входных оптических многофункциональных логических наноэлементов 4 сигнала 0. Наличие хотя бы одного сигнала 0, независимо от значений остальных сигналов на входах логического элемента, выполняющего функцию H(x,…x), приведет к появлению 0 на его выходе. Для того, чтобы исключить описанную ситуацию, воспользуемся равенством:
1
2
1
2
x·x=HE(HE(x)vHE(x)).
Таким образом, перейдя от операции "И" к операции "ИЛИ", удалось избежать влияния отсутствующей оптической связи на результат операции.
Устройство работает следующим образом.
1
2
1
2
1
2
1
2
1
1
2
2
1
2
Пусть требуется выполнить логическую операцию y=x·HE(x)∨HE(x)-x. Выразив функцию у через z и z, получим: y=z∨z, где z=x·HE(x), a z=HE(x)·x. Предположим, что N=2. Для реализации этой функции необходимо:
1
N
1
- удалить перемычки X и HE(X) на входе первого 2N-входного оптического многофункционального логического наноэлемента 4;
1
N
Q
- удалить перемычки HE(X) и X на входе Q-го 2N-входного оптического многофункционального логического наноэлемента 4;
1
Q
М
- удалить перемычки Z и Z на входе М-го Q-входного оптического многофункционального логического наноэлемента 6.
i, i=1,Q
1
Следует отметить, что, исходя из равенства 1, на входы 2N-входных оптических многофункциональных логических наноэлементов 4 подается инверсный сигнал, т.е. сигнал на входе поля будет x, а перемычка будет иметь название НЕ(Х1).
1
N
Пусть на входы устройства поданы оптические сигналы x=0 и x=1.
1
1
Оптические сигналы на входах первого 2N-входного оптического многофункционального логического наноэлемента 4 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 4 будет равна 0 усл. ед., а на инвертирующем выходе будет равна 1 усл. ед.
1
Оптические сигналы на входах второго 2N-входного оптического многофункционального логического наноэлемента 4 равны {0*,1,1,0*}, в результате на выходе сигнал будет равен 1, а на инвертирующем выходе будет равен 0.
1
Q
i, i=1,Q
i, i=1,M
Оптические сигналы z…z с инверсных выходов 2N-входных оптических многофункциональных логических наноэлементов 4 поступят на входы М-выходных оптических наноусилителей 5.
1
2
i, i=i,M
1
1
Оптический сигнал z, пройдя через поле программирования 3, поступает на первые входы Q-входных оптических многофункциональных логических наноэлементов 6. Наличие оптического сигнала интенсивностью 1 усл. ед на входе первого Q-входного оптического многофункционального логического наноэлемента 6 приведет к появлению оптического сигнала интенсивностью 1 усл. ед на его выходе, который является выходом устройства y.
1
N
m
1
2
N
1
2
N
1
2
N
Таким образом, в зависимости от оптических связей в полях программирования и оптических сигналов на входах «x»…«x», интенсивность сигнала на выходе «y» будет равна y=F(x·х…x∨x·х…x∨…x·х…x), 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.