Антошина И.В., Котов Ю.Т. Микропроцессоры и микропроцессорные системы (аналитический обзор)

Подождите немного. Документ загружается.

221

Поскольку линейные размеры пурпурных мембран

сравнимы с размерами транзисторов (до 1,0 мкм), то такая стыков-

ка оказывается вполне реальной. Слои бактериородопсина, со-

стоящие из пурпурных мембран могут быть нанесены на подложку

методом Ленгмюра-Блоджетт. Таким образом, можно выполнять

стыковку микроэлектронных систем с молекулярными, а также

производить преобразование оптических сигналов в электриче-

ские

Основной особенностью перечисленных выше молекуляр-

ных носителей, используемой разработчиками запоминающих

структур, является наличие двух состояний молекулярной струк-

туры. Указанная способность позволяет определять текущее со-

стояние молекулы с помощью лазера, настроенного на соответст-

вующую частоту.

Рассмотрим систему памяти, в которой молекулярный но-

ситель запоминает данные в трехмерной матрице в виде прозрач-

ной капсулы, заполненной полиакридным гелем. Один из вариан-

тов такой капсулы может иметь размеры 20 х 20 х 40 мм. Для

функционирования памяти капсулу помещают в запоминающую

структуру, состоящую из нескольких лазеров и детекторной мат-

рицы, реализованной на базе прибора, использующего принцип

зарядовой инжекции, и позволяющей производить запись и чтение

данных.

Перед записью данных

с помощью желтого страничного

лазера на 590 нм производится активизация возбужденной плоско-

сти в материале внутри капсулы. Получение энергоактивной плос-

кости в виде страницы данных, требует наличия пространственно-

го светового модулятора. Таким модулятором может быть жид-

кокристаллическая матрица, создающая маску на пути лазерного

луча. Таким образом, при активизации записывающей плоскости

происходит

перевод молекул в О - состояние, оответствующее

значению бита "0".

Для записи информации зажигается красный лазер, перед

которым также устанавливается пространственный световой мо-

дулятор, отображающий двоичные данные. При этом последний

создает на пути луча необходимую маску, способствующую облу-

чению только определенных точек страницы. Молекулы в таких

222

местах будут соответствовать двоичной единице в отличие от

оставшейся части страницы, представляющей двоичные нули.

Для чтения информации необходимо включить считываю-

щий лазер, при этом, из-за различия в спектрах поглощения, мож-

но идентифицировать двоичные нули и единицы. Молекулы,

представляющие двоичный нуль, поглощают красный свет, а

представляющие двоичную единицу пропускают луч мимо

себя. В

результате получается рисунок из светлых и темных участков на

фоторегистрирующей матрице. Последняя позволяет хранить

страницу цифровой информации.

Для стирания данных достаточно короткого импульса си-

него лазера, чтобы вернуть молекулы из состояния двоичной еди-

ницы в двоичный нуль. Страница данных может быть прочитана

без разрушения до 5000 раз, после чего

освежается с помощью но-

вой записи.

С помощью предложенной запоминающей структуры мож-

но получить доступ к данным со скоростью до 90 МВ/с при усло-

вии об]единения по восемь запоминающих битовых ячеек в байт с

параллельным доступом и соответствующей схемотехнической

реализации системы памяти. Емкость данных в рассмотренной

кювете может достигать до 1,4 GB,

поскольку дальнейшее увели-

чение емкости данных связано с конструктивными особенностями

линзовой системы, а также с качеством непосредственно самого

молекулярного носителя.

При обработке молекулярного носителя лазерным лучом во

время записи-стирания с энергией выше 8- 10 мДж/см

не достига-

ется существенного увеличения уровня сигнала считывания ин-

формации. Сигнал с фоторегистрирующей матрицы обрабатывает-

ся и регистрируется на ЭВМ.

Проведенные исследования позволяют говорить о хранении

и обработке информации на молекулярном уровне. Идентифика-

ция двоичных нулей и единиц производится за счет разности спек-

тров поглощений лазерного из- лучения различными состояниями

исследуемой молекулярной структуры. При этом молекулы, по-

глощающие свет, отвечают двоичному нулю, а молекулы, пропус-

кающие лазерный луч мимо себя, отвечают двоичной единице.

Исследуемые молекулярные запоминающие структуры,

223

кроме сверхвысокой плотности записи информации, почти не

имеют потерь энергии на выполнение одной логической операции,

а также позволяют достигать массового параллелизма. Гибридные

системы хранения и обработки информации, которые совмещают

свойства твердотельных ЭВМ и молекулярных вычисли- тельных

систем, могут быть эффективно использованы в различных отрас-

лях науки и техники.

Значительные перспективы, которые

открывает технология

записи и считывания информации на светочувствительном мате-

риале, позволяют обеспечить максимальную скорость доступа к

данным. Это достигается за счет того, что обрабатываемый массив

данных кодируется в один большой блок данных, который, в свою

очередь, записывается всего за одно обращение. Если учесть, что

такая запоминающая система для обработки информации

не со-

держит движущихся частей и доступ к страницам осуществляется

параллельно, то запоминающее устройство в целом может позво-

лить хранить информацию объемом в десятки гигабайт.

Молекулярные компьютеры, по мнению специалистов,

должны быть реализованы путем объединения кремниевого чипа с

молекулярными компонентами в один гибридный чип. Такой чип

будет обладать в тысячи раз

большим быстродействием, а память

построенная на таком принципе может быть в миллионы раз объ-

емнее. И главное, что подобные технологии будут крайне дешевы,

в десятки раз дешевле сегодняшних технологий.

Сама идея этих логических элементов не является револю-

ционной: кремниевые микросхемы содержат миллиарды точно та-

ких же. Но преимущества в потребляемой

энергии и размерах спо-

собны сделать компьютеры вездесущими. Молекулярный компью-

тер размером с песчинку может содержать миллиарды молекул. А

если научиться делать компьютеры не трехслойными, а трехмер-

ными, преодолев ограничения процесса плоской литографии, при-

меняемого для изготовления микропроцессоров сегодня, преиму-

щества станут еще больше.

Кроме того, молекулярные технологии сулят появление

микромашин, способных перемещаться и прилагать усилие. При-

чем для создания таких устройств можно применять даже тради-

ционные технологии травления. Когда-нибудь эти микромашины

224

будут самостоятельно заниматься сборкой компонентов моле-

кулярного или атомного размера.

Первые опыты с молекулярными устройствами еще не га-

рантируют появления таких компьютеров, однако это именно тот

путь, который предначертан всей историей предыдущих достиже-

ний. Массовое производство действующего молекулярного ком-

пьютера вполне может начаться где-нибудь между 2005 и 2015 го-

дами.

8.6.9. Оптические МПС

Оптические системы в качестве носителя информации ис-

пользуют свет. Простейшим способом передачи данных при по-

мощи луча света является его модуляция по принципу "есть свет -

нет света". У света есть одна особенность: распространяясь в про-

странстве, он всегда заполняет собой какую-то его часть. Следова-

тельно, существует возможность

кодирования информации путем

изменения амплитуды и фазы луча не только во времени, но и в

пространстве.

Формой реализации этой идеи является оптический эле-

мент, называемый транспарантом. Попросту говоря, это кусочек

прозрачного материала, на который каким-либо способом нанесе-

но изображение, представляющее собой пространственное (в ко-

ординатах, связанных с транспарантом) распределение

коэффици-

ента поглощения, коэффициента преломления (или толщины) или

же того и другого одновременно. В первом случае получим транс-

парант, модулирующий пространственное распределение ампли-

туды проходящего через него света. Примером такого транспаран-

та может являться кадрик обычной фотопленки.

Во втором - получаем так называемый фазовый транспа-

рант. Как правило, он совершенно прозрачен, и

невооруженным

глазом невозможно разглядеть на нем никакого изображения. Ма-

териал пластинки, будучи неоднороден по величине коэффициента

преломления или, чаще всего, по толщине, изменяет (модулирует)

распределение фаз проходящей сквозь него световой волны - по

той простой причине, что различные участки такого транспаранта

пропускают свет за разное время. В конечном итоге это приводит к

225

возникновению за пластинкой транспаранта заданного про-

странственного распределения фаз. Еще говорят о формировании

определенного фазового профиля волнового фронта (рис. 54).

рис. 54

Из сказанного выше становится очевидным, что любой са-

мый привычный оптический элемент - будь то линза или целый

объектив - представляет собой амплитудно-фазовый транспарант

(иногда используют термин "фильтр").

Транспаранты можно изготавливать на базе технологий, по-

зволяющих управлять оптическими свойствами вещества (жидкие

кристаллы или электрооптические материалы), что дает возмож-

ность помимо

пространственной модуляции осуществлять еще и

временную, а также строить адаптивные, в том числе с обратными

связями оптические системы.

В технологии оптической обработки данных информацию

удобно представлять пространственно-временным распределением

амплитуды и фазы светового луча.

Когда мы говорим об амплитудно-фазовой модуляции све-

та, мы, по существу, уже касаемся вопросов не

только кодирова-

ния или представления информации, но и ее обработки.

Само понятие "модуляция" ничего не говорит о том, что

происходит с модулированным сигналом дальше. Привычно ду-

мать, что ничего особенного с ним не происходит. Распространя-

ется себе и все.

226

В данном случае в пространстве за транспарантом свето-

вая волна не "просто распространяется". Там, в этой области, ин-

терферируют части волны, прошедшие различные участки транс-

паранта (в общем случае по принципу "каждый - со всеми"), и

формируется новая структура волны, порой совсем не похожая на

первоначальную. И этот процесс является управляемым.

Именно

поэтому здесь уместно говорить не столько о моду-

ляции, сколько о преобразовании структуры волны, то есть, по су-

ти, об обработке информации, записанной в этой структуре.

Сейчас мы затронули чрезвычайно важный, я бы сказал,

принципиально важный момент. Из математики мы знаем, что лю-

бые процессы или объекты могут быть представлены

как сумма

(ряд) некоторых элементарных периодических функций, напри-

мер, гармонических колебаний. Этот ряд называют еще спектром

или спектральным представлением объекта.

Любые изменения некоторого объекта, допустим, оптиче-

ского изображения, связаны с изменениями его спектрального со-

става. Поэтому транспаранты в технике оптических вычислений

называют еще пространственными амплитудно-фазовыми фильт-

рами, подчеркивая, что

они осуществляют некоторый процесс

фильтрации, то есть изменения состава пространственных частот

исходного изображения. Именно поэтому и говорят, что комбина-

ция пространственного фильтра и некоторого объема пространства

за ним - уже представляет собой оптический процессор.

Как это все эти принципы работают "на практике". Созда-

дим экспериментальную установку: ширма с тремя источниками

света

А, В и С, экран (см. рис. 55).

рис. 55

227

Как сделать, чтобы на экран попадал свет только от источ-

ников А и С?

рис. 56

Поставим на пути света линзу (фазовый транспарант). В

пространстве за собой она построит изображения источников так,

как это показано на рис. 56. Если теперь дополнить нашу установ-

ку амплитудным транспарантом-фильтром (попросту говоря, стек-

лянной пластинкой с непрозрачным участком напротив изображе-

ния источника В), то в пространстве за фильтром будет

по-

прежнему присутствовать свет от источников А и С, но света от

источника В там не будет.

В случае использования в системе когерентного света при

помощи описанного устройства можно фильтровать изображения

источников света и световое поле объектов произвольной конфи-

гурации, то есть даже в тех случаях, когда ими являются просто

физические

объекты.

Три объекта А, В и С освещены когерентным светом. На

экран падает свет, отраженный всеми предметами. Вместо экрана,

кстати, можно взять фотоаппарат. Тогда на пленке будут сфото-

графированы все три объекта.

Можно ли сделать так, чтобы фотоаппарат, снимая сцену,

не зафиксировал объект В? Как "вычесть" отраженное от него све-

товое поле из общего поля сцены? В рамках методов обычной оп-

тики эта задача неразрешима.

Для решения этой задачи применяют специальный вид ам-

плитудно-фазовых транспарантов, которые называются комплекс-

но-сопряженными фильтрами. Математические подробности авто-

228

ры не приводят, но отмечают, что эти оптические элементы об-

ладают свойством собирать в одну точку световое поле, обладаю-

щее некоторой заранее заданной структурой. Если нам известна

конфигурация (амплитудно-фазовое распределение) поля, рассе-

янного объектом В, то, изготовив соответствующий фильтр, мож-

но решить поставленную задачу, например, так (рис. 57):

Рис.57

Свет, рассеянный объектом В, собирается в точку, где пере-

крывается амплитудным фильтром. Теперь на пленке в фотоаппа-

рате будет формироваться все та же сцена, что и раньше, но объек-

та В на ней не будет.

Описанные процессы используются в качестве основы для

проектирования оптических устройств распознавания образов или

быстрого

поиска необходимой информации в больших массивах

данных, сформированных на оптических носителях - фото- или го-

лографических транспарантах.

Теперь самое время рассмотреть случаи, когда требуется не

просто выделение или распознавание требуемого информационно-

го объекта, но именно преобразование его.

Из схемы записи (съемки) голограммы (рис. 58), понятно,

что, во-первых, голограмма в сути своей

представляет не что иное,

как амплитудно-фазовый транспарант, на котором зафиксировано

поле, получившееся в результате интерференции опорного пучка и

отраженного от объекта света. А во-вторых, что опорный источник

сам может являться некоторым объектом.

229

Тогда становится очевидным, что если обычная голо-

грамма, освещаемая опорным лучом, восстанавливает изображе-

ние объекта съемки, то голограмма, полученная путем записи ин-

терференции света от двух объектов, будет в свете одного из них

восстанавливать изображение другого и наоборот (это свойство

носит название "принцип обратимости голограмм").

рис. 58

Практическая польза здесь очевидна: получается возмож-

ность осуществить "преобразование" любого изображения в зара-

нее заданное другое (строго говоря, не преобразование, а как бы

"замену" или "подстановку").

Много возможностей таит включение в схемы оптических

вычислителей контуров обратных связей и нелинейных элементов!

Так же много перспектив сулит интенсивно развивающийся

в последние

годы подход к созданию оптических процессоров как

квантовых устройств с распределенными параметрами. В них уже

не найти привычных линз, зеркал или пластинок-фильтров. Их

функции распределены по объему рабочего пространства процес-

сора. Массовое производство такого рода устройств по своему ре-

волюционному воздействию на отрасль сравнимо с началом вы-

пуска интегральных

микросхем.

Обработка информации в оптической системе может осу-

ществляться как в процессе переноса изображения (представляю-

щего собой специальным образом подготовленный входной сиг-

230

нал) через оптическую систему, реализующую вычислительную

среду, так и путем осуществления переключений в так называемом

оптическом транзисторе. Можно легко показать, что при линейных

размерах изображения 1 см, разрешении 3 мкм и длине оптической

системы порядка 30 см (давно доступные оптикам технологиче-

ские нормы) можно получить пиковую производительность по-

рядка 10

элементарных операций в секунду!

Коммутация информационных каналов в оптическом ком-

пьютере осуществляется с большой скоростью и отличается про-

стотой реализации за счет того, что лучи света в пустом простран-

стве распространяются, не взаимодействуя друг с другом. По

сравнению с обычной электроникой выигрыш очень быстро растет

с ростом числа коммутируемых каналов.

Использование третьего

измерения для ввода/вывода информации в оптоэлектронных чи-

пах создает дополнительные возможности, которым у электрон-

ных соединений нет никаких аналогов.

Еще одно уникальное свойство оптических систем: в про-

зрачной среде информация, закодированная оптическим лучом,

может обрабатываться без затрат энергии. Естественно, закон со-

хранения энергии при этом не нарушается. Наконец

, отметим, что

оптическая система ничего не излучает во внешнюю среду, обес-

печивая защиту компьютера от перехвата информации. И обратно:

оптическая система надежно защищена от сторонних электромаг-

нитных наводок.

Основные элементы оптических компьютеров с переносом

изображения давно известны. Это - линза, зеркало, оптический

транспарант и слой пространства. В настоящее время к ним

доба-

вились волноводные элементы, а также лазеры, полупроводнико-

вые многоэлементные фотоприемники, нелинейные оптические

среды, разного рода дефлекторы и светоклапанные устройства.

Базисная логическая функция, элементарный кирпичик, с

помощью которого можно построить любой, сколь угодно слож-

ный цифровой компьютер, имеет множество оптических реализа-

ций. На рис. 59 дан простой пример построения многовходовой

функции ИЛИ

-НЕ/И-НЕ с помощью линзы L и порогового устрой-

ства-инвертора N.