МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

«КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ»

Ліпінський Олександр Юрійович

УДК 004.31:004.22:534:621.382

ОСНОВИ СТВОРЕННЯ ОПТОЕЛЕКТРОННИХ ІНТЕГРАЛЬНИХ

ОБЧИСЛЮВАЛЬНИХ СЕРЕДОВИЩ ДЛЯ СПЕЦІАЛІЗОВАНИХ

КОМП’ЮТЕРНИХ СИСТЕМ

Спеціальність 05.13.05 – Комп’ютерні системи та компоненти

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Київ 2014

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі радіофізики Донецького національного

університету Міністерства освіти і науки України

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор

Данилов Володимир Васильович,

Донецький національний університет МОН

України, завідувач кафедри радіофізики

Офіційні опоненти: доктор технічних наук,

член-кореспондент НАН України

Крючин Андрій Андрійович,

Інститут проблем реєстрації інформації НАН

України, заступник директора

доктор технічних наук, професор

Федоров Євген Євгенович,

Донецька академія автомобільного

транспорту МОН України, проректор з

наукової роботи

доктор технічних наук, професор

Кривуля Геннадій Федорович,

Харківський національний університет

радіоелектроніки МОН України,

завідувач кафедри автоматизації

проектування обчислювальної техніки

Захист відбудеться «___» _________ 2014 року о 14:30 на засіданні

спеціалізованої вченої ради Д 26.002.02 у Національному технічному

університеті України «Київський політехнічний інститут» (м. Київ,

пр. Перемоги 37, корп. 18, ауд. 516).

Відгуки на автореферат у двох екземплярах, завірені печаткою установи,

просимо надсилати на адресу: пр. Перемоги 37, м. Київ 03056, вченому

секретарю Національного технічного університету України «Київський

політехнічний інститут».

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Національного

технічного університету України «Київський політехнічний інститут».

Автореферат розісланий «___» вересня 2014 року.

Вчений секретар

спеціалізованої ради,

кандидат технічних наук, доцент М.М. Орлова

1

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Сучасні електронні інформаційні технології досяг-

ли фундаментальних і технічних меж продуктивності одночасно з триваючим

ростом вимог до швидкодії і обсягу оброблюваної та переданої інформації.

Дослідження граничних обмежень фізико-технічних характеристик мідних

провідників показало непрацездатність інтегральної схеми при кроці металі-

зації 8 нм, що, згідно з прогнозом ITRS-2011, буде досягнуто після 2024 року.

Застосування оптоелектронних і фотонних технологій дозволяє уникнути

значної частини фізичних обмежень, властивих електронним обчислюваль-

ним системам. Створено нові напрямки в оптиці – інтегральна, волоконна,

градієнтна та нелінійна оптика, мікро- та нанооптика, хвилеводна оптоелект-

роніка, розроблено нові покоління лазерів, світловодів, приймачів випромі-

нювання, оптичних матеріалів.

Оптичні операційні пристрої та інтерфейси мікропроцесорних систем

можуть суттєво поліпшити такі основні технічні характеристики обчислюва-

льних засобів, як продуктивність і швидкодія. Крім того, стає можливим ус-

пішний розв'язок завдань динамічної зміни архітектури процесора, прецизій-

ного розподілу синхронізуючих сигналів, збільшення смуги пропускання

з'єднувальних ліній, зменшення потужності споживання, перехресних пере-

шкод, узгодження імпедансів, спрощення ізолювання потенціалів, виключен-

ня впливу індуктивності виводів. Зусиллями розробників сучасних оптоелек-

тронних комп'ютерних систем створена елементна база та оптичні пристрої

перетворення і введення-виведення інформації, об'ємних міжз'єднань для пе-

реносу інформації.

Однак існують невирішені проблеми науково-прикладного характеру.

Суттєво стримує створення сучасних комп'ютерних систем відсутність но-

вих, логічно завершених концепцій їх організації та функціонування. Добре

розвинена комп'ютерна парадигма, що використовує у своїй основі бінарну

логіку та двійкове числення, не в змозі забезпечити роботу оптичних і опто-

електронних систем, оскільки орієнтована на алгоритмічне розв'язування об-

числювальних завдань і значний ступінь інтеграції апаратних засобів.

В основу організації новітніх комп'ютерних систем може бути покладена

ідея про виконання обчислювальних операцій інтегральним оптоелектронним

середовищем за рахунок явищ дифракції, інтерференції та фоторефракції, що

дозволяє реалізувати як арифметико-логічні операції та реєстрацію інформа-

ції, так і відомі атрибути обчислювального інтелекту: повну зв'язність об'єк-

тів, навченість, асоціативність мислення, фазифікацію оброблюваної інфор-

мації, нечітке відношення множин тощо. До переваг цього підходу можна ві-

днести більшу інформаційну ємність і високу пропускну спроможність таких

2

комп'ютерних систем, які забезпечуються багатомірністю електромагнітного

поля оптичного діапазону.

Явище дифракції світла на звуковій хвилі в акустооптичному середовищі

дозволяє ефективно здійснити операції додавання і множення парафазних си-

гналів з можливістю багатоканальної та багатоярусної архітектури оптоелек-

тронного процесора. Запис інформації у фоторефрактивному кристалі забез-

печує зберігання операндів безпосередньо у фізичному середовищі, де і про-

водиться їх перетворення з використанням технологій потокової обробки ін-

формації.

Незважаючи на існуючі результати наукових досліджень щодо можли-

вості застосування ефектів дифракції, інтерференції та фоторефракції для

створення дискретної елементної бази комп’ютерних систем, необхідне про-

ведення додаткових робіт науково-прикладного характеру, спрямованих на

дослідження просторово-часового подання сигналів в акустооптичних при-

строях дискретної обробки інформації; процесів запису-зчитування інформа-

ції у фоторефрактивному середовищі; розробку структур, методів проекту-

вання, технічних характеристик і елементів оптоелектронного інтегрального

обчислювального середовища. Саме це визначає актуальність поставлених у

роботі завдань.

Таким чином, у даній роботі розв’язується важлива науково-прикладна

проблема розвитку основ створення оптоелектронних акустооптичних обчи-

слювальних і фоторефрактивних запам'ятовувальних пристроїв у складі оп-

тоелектронних інтегральних обчислювальних середовищ з динамічно зміню-

ваною архітектурою для спеціалізованих комп’ютерних систем.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисерта-

ційна робота була виконана в рамках держбюджетної НДР кафедри радіофі-

зики Донецького національного університету «Дослідження та розробка ра-

діофізичних та оптоелектронних пристроїв з покращеними функціональними

характеристиками» (2003 - 2008), державний реєстраційний номер

0103U004438; держбюджетної НДР Ф25.4/047, «Дослідження методів бага-

тошарового голографічного запису інформації на фотолюмінесцентних сере-

довищах» (2007 - 2008), замовник Міністерство освіти і науки України, дер-

жавний реєстраційний номер 0107U010048; держбюджетної НДР кафедри

радіофізики Донецького національного університету «Дослідження та розро-

бка нових високопродуктивних оптоелектронних обчислювальних пристроїв

з дискретним поданням інформації та методів перетворення інформації в ав-

томатизованих системах переробки інформації й управління» (2010 - 2014),

державний реєстраційний номер 01100U001500.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення

продуктивності спеціалізованих комп’ютерних систем за рахунок вирішення

науково-технічної проблеми створення оптоелектронних інтегральних обчи-

3

слювальних середовищ, які містять акустооптичні пристрої дискретної обро-

бки та фоторефрактивні пристрої збереження інформації.

Об'єктом дослідження є процеси перетворення дискретної інформації в

акустооптичному середовищі за умов просторово-часового подання сигналів

та зміни показника заломлення в кристалі LiNbO3 під впливом просторово

модульованого падаючого світлового потоку з дискретним характером роз-

поділу інтенсивності.

Предметом дослідження є оптоелектронні акустооптичні обчислювальні

та фоторефрактивні запам'ятовуючі пристрої у складі оптоелектронних обчи-

слювальних середовищ з динамічно змінюваною архітектурою.

Основні задачі дослідження, відповідно до поставленої мети, полягають

у наступному:

1. Проведення фундаментальних та прикладних проблемно орієнтованих

досліджень просторово-часового подання сигналів в акустооптичних при-

строях дискретної обробки інформації:

- моделювання просторово-часового подання сигналів в задачі про взає-

модію світлового та звукових імпульсів в акустооптичному середовищі;

- розробка теоретичних основ та експериментальне обґрунтування прин-

ципів подання дискретних даних в оптоелектронних акустооптичних проце-

сорах;

- побудова функціональної моделі процесу формування елементів опто-

електронного акустооптичного обчислювального середовища;

- моделювання характеристик оптоелектронного акустооптичного обчи-

слювального середовища, в залежності від просторової локалізації його еле-

ментів;

- розробка структури узагальненого пристрою формування елементів оп-

тоелектронного акустооптичного обчислювального середовища.

2. Проведення цілеспрямованих прикладних проблемно орієнтованих

досліджень процесу запису-зчитування інформації у фоторефрактивному се-

редовищі:

- моделювання режимів функціонування акустооптичних процесорів ко-

реляційного типу з пам'яттю;

- моделювання фоторефрактивних змін показника заломлення у кристалі

LiNbO3 з використанням стандартної фоторефрактивної моделі;

- моделювання методом пучка, що поширюється та експериментальне

дослідження процесів запису-зчитування фоторефрактивних транспарантів;

- розробка метода синтезу дифракційних граток у кристалі LiNbO3.

3. Розробка структур, технічних характеристик та елементів високопро-

дуктивного оптоелектронного обчислювального середовища з динамічно

змінюваною архітектурою:

- створення математичної моделі патерну міжз’єднань в оптичних обчи-

4

слювальних пристроях з динамічно змінюваною архітектурою;

- моделювання процесу динамічної зміни архітектури оптоелектронного

акустооптичного обчислювального середовища;

- розробка структури та елементів оптоелектронного акустооптичного

обчислювального середовища з пам'яттю на основі фоторефрактивного зво-

ротнього запам'ятовуючого середовища.

Методи досліджень. Згідно задач досліджень, використані:

- теорія оптичних хвиль у кристалах, теорія узагальнених функцій, ме-

тоди математичного моделювання електродинамічних задач, такі як вектор-

ний метод скінченних елементів у часовій області, метод пучка, що поширю-

ється;

- теорія когерентного випромінювання, теорія проектування оптоелект-

ронних приладів, теорія моделювання складних систем, теорія перетворення

сигналів в оптико-електронних системах;

- теорія обчислювальних систем, теорія оптичних систем і оптичних ви-

мірювань, теорія проектування обчислювальних систем, теорія дискретних

сигналів і систем;

- теорія кореляційної обробки сигналів, теорія просторової фільтрації,

теорія динамічних систем;

- теорія фоторефракції в електрооптичних кристалах, теорія електрооп-

тичного ефекту в анізотропних кристалах, теорія нелінійної теплопровіднос-

ті, теорія дифракції та лінійних перетворень в оптиці;

- теорія комплексних сигналів, теорія проектування просторових моду-

ляторів світла, теорія радіофізичних вимірів;

- теорія проектування міжелементних з'єднань, теорія проектування про-

грамованих логічних інтегральних схем, теорія обчислювальних систем по-

токової обробки даних;

- теорія джерел і приймачів випромінювання, нормативно-технічна до-

кументація з розробки та постановки на виробництво оптичних та радіоелек-

тронних пристроїв.

Наукова новизна одержаних результатів визначається розробкою нау-

кових основ створення оптоелектронних акустооптичних обчислювальних і

фоторефрактивних запам'ятовуючих пристроїв у складі оптоелектронних ін-

тегральних обчислювальних середовищ з динамічно змінюваною архітекту-

рою.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

- отримала подальший розвиток теорія просторово-часового подання

дискретних сигналів за умов акустооптичної взаємодії, що призвело до ство-

рення теоретичної основи поняття інтегрального оптоелектронного акустоо-

птичного середовища;

- отримала експериментальне обґрунтування математична модель акус-

5

тооптичного обчислювального пристрою, яка враховує виконання просторо-

вого і часового перетворень інформації;

- отримали подальший розвиток теоретичні та прикладні основи просто-

рової дискретизації потоку даних в акустооптичному середовищі, що призве-

ло до створення структури оптоелектронного акустооптичного процесора з

продуктивністю 1210 операцій множення з накопиченням в секунду;

- створена математична модель елемента оптоелектронного акустоопти-

чного обчислювального середовища, що дозволяє виконувати одночасну об-

робку до 512 двійкових розрядів з відповідною точністю перетворення;

- одержали подальший розвиток математичний опис і модель дискретно-

го акустооптичного корелятора з пам'яттю, що запам'ятовує просторовий об-

раз сигналу в кристалі ніобата літію;

- удосконалено метод моделювання фоторефрактивної зміни показника

заломлення в кристалі ніобата літію під впливом просторово-модульованого

падаючого світлового потоку з дискретним характером розподілу інтенсив-

ності, що дозволило обґрунтувати можливість збереження дискретної струк-

тури сигналу;

- одержало подальший розвиток скінченно-різницеве формулювання ме-

тоду пучка, що поширюється за умов малих кутів падіння світлового проме-

ня, яке застосовується для моделювання процесів запису-зчитування фоторе-

фрактивних транспарантів;

- уперше виконано математичне моделювання процесів синтезу дифрак-

ційних ґраток у кристалі ніобата літію, формованих при проходженні світло-

вого пучка через апертури акустооптичних модуляторів, що дозволить знач-

но підвищити розрядність операндів, і, як наслідок, продуктивність оптичних

і оптоелектронних обчислювальних пристроїв за рахунок збільшення просто-

рового поділу каналів обробки інформації в акустооптичному середовищі;

- уперше проведено синтез і теоретичне обґрунтування структури інтег-

рального оптоелектронного обчислювального середовища з динамічно змі-

нюваною архітектурою, яке забезпечує 1110 перехресних міжз’єднань і про-

дуктивність 2110 оп/с при пропускній спроможності оптичного каналу

10Гбіт/с.

Практичне значення одержаних результатів визначається розробкою,

одержанням і створенням на основі теоретичних результатів роботи:

- фізико-технічних параметрів акустооптичних та фоторефрактивних

матеріалів, необхідних для комп’ютерного моделювання та реалізації опто-

електронних акустооптичних апаратних засобів з фоторефрактивною

пам’яттю;

- методів проектування пристроїв обробки інформації, що використову-

ють просторово-часове подання сигналів у задачі про взаємодію світлового

та звукових імпульсів в акустооптичному середовищі;

6

- методів проектування акустооптичних пристроїв дискретної обробки

інформації на основі вперше запропонованої здобувачем математичної моде-

лі оптоелектронного акустооптичного обчислювального середовища;

- методу моделювання зміни показника заломлення фоторефрактивного

матеріалу, який використовується у технології запису інформації у оптоелек-

тронних пристроях реєстрації та збереження;

- технологічного процесу і спеціального технологічного устаткування,

орієнтованого на спеціальний виробничий цикл синтезу дифракційних граток

у кристалі LiNbO3;

- методів та засобів динамічної зміни архітектури оптоелектронного аку-

стооптичного обчислювального середовища за допомогою реконфігурування

оптичних міжз’єднань каналів обробки даних;

- методів та засобів ефективного управління джерелом когерентного ви-

промінювання, в залежності від обраного режиму роботи оптоелектронного

акустооптичного обчислювального середовища;

- комплексу вимог до технічних характеристик оптоелектронного акус-

тооптичного обчислювального середовища з динамічно змінюваною архітек-

турою, а також елементів формування та реєстрації світлових потоків, що ви-

користовуються як носії інформації.

Результати роботи використовуються у виробничому відділенні Держав-

ного підприємства «Науково-дослідний інститут комплексної автоматизації»

(м. Донецьк), у навчальному процесі на кафедрі радіофізики Донецького на-

ціонального університету, при викладанні курсів «Комп’ютерне моделюван-

ня в акустооптиці», «Оптичні технології штучного інтелекту», «Оптичні ме-

тоди обробки інформації», а також можуть бути використані в організаціях і

на підприємствах, які займаються проектуванням і створенням нових опто-

електронних інформаційних технологій, інформаційних систем обробки ра-

діосигналів.

Особистий внесок здобувача. Всі винесені на захист результати дисер-

таційної роботи отримані автором самостійно. В опублікованих роботах у

співавторстві особисто дисертанту належать наступні результати: матема-

тична модель, що враховує виконання просторового і часового перетворень

інформації в акустооптичному середовищі та виконано її експериментальне

обґрунтування; функціональна модель процесу формування елементів опто-

електронного акустооптичного обчислювального середовища; математична

модель процесу фоторефрактивної зміни показника заломлення в кристалі

ніобата літію під впливом просторово-модульованого падаючого світлового

потоку з дискретним характером розподілу інтенсивності; математичний

опис процесів запису-зчитування фоторефрактивних транспарантів на основі

скінченно-різницевого формулювання методу пучка, що поширюється та йо-

го експериментальне обґрунтування; математична модель акустооптичного

7

обчислювального середовища; математичний опис процесу динамічної зміни

архітектури обчислювального пристрою; ідея способу кодування інформації

в акустооптичному середовищі; математична модель акустооптичного коре-

лятора з пам'яттю; математичний опис зміни показника заломлення під впли-

вом світлового потоку.

Апробація результатів дисертації. Основні матеріали дисертаційної

роботи доповідалися та обговорювалися на наступних міжнародних конфе-

ренціях:

- Науково-практична конференція «Сучасні інформаційні та електронні

технології», СІЕТ’2007, СІЕТ’2008, СІЕТ’2009, СІЕТ’2010, СІЕТ’2011,

СІЕТ’2012, СІЕТ’2013 (Одеса, Україна, 2007 – 2013 р.р.);

- 3-я Міжнародна наукова конференція «Функціональна компонентна ба-

за мікро-, опто- та наноелектроніки» (Харків-Кацівелі, Україна, 2010);

- 6-а Міжнародна наукова конференція «Функціональна база наноелект-

роніки» (Харків-Крим, Україна, 2013).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 33 наукові праці, з них 1

монографія, 22 статті в провідних фахових виданнях (з них 4 в іноземних ви-

даннях та 4 - у виданнях, що входять до наукометричних баз), 1 патент на ко-

рисну модель, 9 доповідей на конфереціях.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, семи

розділів, висновків, списку використаних джерел і додатка, та містить 308

сторінок, з них 281 сторінку друкованого тексту, 121 рисунок, 3 таблиці.

Список використаних джерел містить 356 назв. Додаток містить 27 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

У вступі дисертаційної роботи обґрунтована актуальність теми, сформу-

льовані мета і задачі досліджень, наведені основні наукові результати та їх

практичне значення.

У першому розділі розглядається структурна організація сучасних оп-

тичних комп'ютерних систем: архітектури цифрових оптичних обчислюваль-

них засобів на основі комбінаційної логіки, реалізовані оптичними процесор-

ними елементами з об'ємними міжз'єднаннями; існуючі оптоелектронні реа-

лізації архітектури потокової обробки даних на прикладі сімейства оптичних

комп'ютерів DOC II і HPOC; архітектури оптичних процесорів цифрової об-

робки сигналів і засоби збільшення їх продуктивності на прикладі оптоелект-

ронного цифрового сигнального процесора Enlight256; фоторефрактивні за-

пам'ятовуючі пристрої оптоелектронних процесорів кореляційного типу, які є

ефективними пристроями розпізнавання образів завдяки швидкодії, обумов-

леній паралельністю обробки великих масивів інформації.

8

Показано та обґрунтовано: безсумнівна перевага оптичних міжз'єднань у

порівнянні з електронними, пов'язана з перспективами зниження енергії, яка

споживається на один біт для міжз'єднань точка-точка, менш, ніж 1000 фото-

нів, більшою щільністю міжз'єднань, високими коефіцієнтами розгалуження

за входом та виходом; перспективно використовувати фоторефрактивні ма-

теріали як основу для створення запам'ятовуючих пристроїв оптичних ком-

п'ютерних систем, оскільки характерна для них висока щільність записуваної

інформації відповідає високій щільності потоку оброблюваних даних.

У другому розділі вирішується задача електродинамічного моделюван-

ня просторово-часового подання сигналів у випадку взаємодії світлового та

звукових імпульсів у акустооптичному середовищі (АОС).

На першому етапі розв'язку поставленого завдання побудована матема-

тична модель взаємодії акустичного і оптичного імпульсів, яка ґрунтується

на засадах теорії сигналів відносно режимів роботи акустооптичного модуля-

тора (АОМ).

Сигнали xts ,1̂ та zts ,ˆ2 , обумовлені виразами:

k

VxktVxktksxts 22,ˆ 1111111 ,

,22,ˆ 2222222 n

czntczntnszts

де 1 , 2 – часи дискретизації, 1 , 2 – тривалості імпульсів дискретизації,

t – функція Хевісайда, поширюються, як показано на рис. 1.

Рис. 1. Взаємодія акустичного і оптичного імпульсів

Сигнал t,x,zsвихˆ на виході АОМ, що представляє собою добуток сигна-

лів xts ,1̂ і zts ,ˆ2 , при цьому дорівнює:

9

.2222

22

22x,,ˆ

22

11

22

11

22

11

22

112211

c

znt

V

xkt

c

znt

V

xkt

c

znt

V

xkt

c

znt

V

xktnskszts

k nвих

(1)

Вихідний сигнал можна трактувати як сигнал, заданий для x і t , що пе-

реміщується уздовж осі z зі швидкістю c , як зображено на рис. 1. В (1) кож-

ний із членів суми описує елемент інтегрального обчислювального середо-

вища (ЕІОС), локалізація якого в просторі та часі задається набором добут-

ків функцій Хевісайда, а амплітуда визначається добутком відповідних дис-

кретних відліків сигналів 11 ks і 22 ns .

Для розв'язання задачі електродинамічного моделювання методом скін-

ченних елементів необхідно записати рівняння Максвелла через векторний

потенціал A :

0200

A

A

tn

t . (2)

Рівняння (2) доповнюється умовами на границі вх та на ділянках границі ,

зображених на рис. 2. У якості граничної умови для вх і обрано наступне

співвідношення:

000 Enk

AnnHn

t , (3)

де n - одиничний вектор зовнішньої нормалі до границі, а 0E та k - вектор

напруженості електричного поля падаючої світлової хвилі і одиничний век-

тор, що вказує на напрямок її поширення, відповідно, H - вектор напруже-

ності магнітного поля. Умова (3) забезпечує «прозорість» границь вх і для

плоских хвиль.

Таким чином, (2) і (3) визначають математичну модель взаємодії акусти-

чних і світлових імпульсів в акустооптичному середовищі, засновану на еле-

ктродинамічних уявленнях про дифракцію світла в пружному середовищі.

Розподіл показника заломлення середовища в області аналізу, виклика-

ний акустичними імпульсами, задається виразом:

10

,,4

sincos10

cosflsmsign1

sincoscos, max0

ББ

ББ

xyK

xyKnnyxn

(4)

де 0n - показник заломлення незбуреного середовища, maxn - амплітуда

зміни показника заломлення, K - хвильове число акустичної хвилі, Б - кут

Брегга. Другий доданок (4) враховує зміну показника заломлення в області

взаємодії, що виникла внаслідок зсувної деформації матеріалу середовища.

Рис. 2. Границі області взаємодії та відповідні їм граничні умови

Моделювання просторово-часового подання сигналів у задачі про вза-

ємодію світлових і звукових імпульсів в акустооптичному середовищі вико-

нувалося з урахуванням технічних характеристик і параметрів акустооптич-

ного модулятора Isomet 1205C-1. В якості акустооптичного середовища в

АОМ Isomet 1205C-1 використовується кристал молібдата свинцю 4PbMoO ,

для якого значення показника заломлення n становить 2,3852 на довжині

хвилі червоного He-Ne лазера ( мкм 6328,00 ), що визначає розмір розгля-

нутої області приблизно 7050 , де – довжина хвилі світла в матеріалі

середовища. Відповідно до умов бреггівської дифракції, при такому розмірі

області аналізу, довжина акустичної хвилі обрана рівною мкм 5,0 , а кут

Брегга Б становить 0385,15 . Для обраних n , 0 , і довжини області акус-

тооптичної взаємодії мкм 85,6L , хвильовий параметр завдання

20 nLQ , дорівнює 7,27.

11

Результати моделювання, наведені на рис. 3, показують, що розподіл ви-

хідного світлового потоку, який залежить від x і y в момент часу t (рис. 3)

містить набір дискретних у просторі оптичних імпульсів з амплітудою, про-

порційною добутку інтенсивностей акустичної та оптичної хвиль. Кожен із

цих оптичних імпульсів відповідає елементу обчислювального середовища,

математичною моделлю якого є вираз (1).

Рис. 3. Напруженість магнітного поля світлових імпульсів на виході з області

акустооптичної взаємодії

Просторово-часове подання дискретних оптичного і акустичного сиг-

налів може бути покладене в основу математичного опису принципів функ-

ціонування оптоелектронних акустооптичних пристроїв, що здійснюють од-

ночасно як просторове, так і часове перетворення інформації з високою точ-

ністю. Отримана в результаті розгляду просторово-часового подання дискре-

тних сигналів при акустооптичній взаємодії математична модель ЕІОС є тео-

ретичною основою поняття інтегрального оптоелектронного акустооптично-

го обчислювального середовища (ІОАОС).

У третьому розділі вирішена задача розробки теоретичних основ та ек-

спериментального обґрунтування принципів подання дискретних даних в оп-

тоелектронних акустооптичних процесорах.

В основу розв'язання поставленого завдання покладене уявлення про

акустичний хвильовий пакет в апертурі АОМ як про просторово-часовий

аналог електричного сигналу, що подається на електроакустичний перетво-

рювач. Якщо електричний сигнал задається послідовністю імпульсів, його

перетворення у відповідний набір акустичних хвильових пакетів може бути

використане для кодування значень двійкових розрядів.

12

Можна припустити, що використання одночасного інтегрування як за

простором, так і за часом, дозволить розрізняти стани {01} і {10} внаслідок

більш повного обліку розподілу енергії сигналу в області взаємодії в порів-

нянні з роздільними просторовим або часовим поданнями. Структурна схема

експериментальної установки для дослідження відмінностей у значеннях се-

редньої потужності вихідних оптичних сигналів, відповідних двійковим ко-

дам {01}, {10} і {11}, наведена на рис. 4. Оптична схема установки реалізує

алгоритм згортки з використанням акустооптичних модуляторів, повернених

один відносно іншого таким чином, що акустичні хвильові пакети в них по-

ширюються у взаємно протилежних напрямках.

Рис. 4. Структурна схема експериментальної установки

АОМ 1 (рис. 4) освітлюється просторово-однорідним світловим пучком

таким чином, що інтенсивність його першого дифракційного порядку може

бути записана як:

Wxtxstutxu AOMinAOMout rect,21, 11, ,

де WxtxsAOM rect,1 – акустичний сигнал, «збережений» в апертурі АОМ

1 (W = 1мм). АОМ 2 освітлюється просторово-неоднорідним світловим пото-

ком від АОМ 1. Таким чином, інтенсивність його першого дифракційного

порядку можна записати як:

,rect,,21, 21,2, Wxtxstxutxu AOMAOMoutAOMout

де WxtxsAOM rect,2 – акустичний сигнал в апертурі W AOM 2. Оскільки

часова та просторова змінні зв'язані швидкістю звуку, дискретні аналоги сиг-

налів uout,AOM1(x,t), sAOM1(x,t)∙rect(x/W), uout,AOM2(x,t) та sAOM2(x,t)∙rect(x/W) мо-

жуть бути представлені наступними векторами, відповідно:

kkk AOMinAOMout u 11, su 21 ,

TAOMAOMAOMAOM kkNkk

sss },,...,{ 111 11 1s

,

13

][21kkk AOM

T

AOMoutAOMout 21,2, suu

,

TAOMAOMAOMAOM Nkkkk

sss },...,,{11 2222

s

,

де k – поточний крок за часом, N – число часових кроків, «збережених» в

апертурі АОМ.

На рис. 5 наведена структурна схема розробленого пристрою бінарного

кодування інформації в акустооптичному середовищі, побудована на основі

наведених вище виразів. Сигнали, що подаються на входи АОМ 1 і АОМ 2

для реалізації двійкових кодів {01}, {10}, і {11}, наведено на рис. 6. Як мож-

на бачити, сигнал на вході АОМ 1 однаковий для всіх комбінацій, а сигнали

на вході АОМ 2 відрізняються відповідно до двійкового коду.

Рис. 5. Структурна схема пристрою бінарного кодування

Рис. 6. Сигнали, що подаються в АОМ 1 (VAOM 1) і AOM 2 (V01, V10, і V11) для

реалізації двійкових кодів {01} (a), {10} (б) і {11} (в)

14

Результати моделювання, що відповідають сигналам на виході фотоде-

тектора для різних комбінацій вхідних двійкових кодів, представлено на рис.

7. Форма та площа імпульсу змінюються при зміні коду.

Рис. 7. Сигнали на виході фотодетектора, відповідні до двійкових кодів {01}

(VPD, 01), {10} (VPD, 10), і {11} (VPD, 11)

Дослідження, проведені на макеті експериментальної установки (рис. 4),

підтверджують коректність обраної теоретичної концепції подання даних у

разі акустооптичного бінарного кодування. Таким чином, запропонований

спосіб кодування може вирішити одну з основних проблем оптичних і опто-

електронних обчислювальних засобів, яка полягає в практичній неможливос-

ті розрізнити стани, які пов'язані з рівнем логічного нуля та відсутністю сиг-

налу як такого. Вимір оптоелектронними засобами часових змін оптичного

сигналу з урахуванням просторового розподілу його інтенсивності дозволив

розрізнити оброблювані дані для двійкових кодів {01}, {10} і {11}.

Відомі, і, більше того, широко поширені, акустооптичні процесори, що

виконують обробку сигналів у часовій і частотній областях. Дискретизація

потоку оброблюваної інформації дозволить додати до відомих переваг таких

пристроїв ще й високу точність перетворення. У цьому випадку питання роз-

робки теоретичних і прикладних основ принципів подання дискретних даних

зводиться до просторової дискретизації потоку даних в акустооптичному се-

редовищі.

Акустооптичний процесор із просторовою дискретизацією потоку даних

представлено на рис. 8. До його складу входять: пристрій формування моду-

льованого оптичного пучка 1; світлоділильний пристрій 2; середовище акус-

тооптичної взаємодії 3; п'єзоелектричні перетворювачі 4; лінза, що збирає 5;

позавісьова діафрагма 6; фотодетектор 7.

Модульований оптичний пучок подається на світлоділильний пристрій,

який розподіляє його на 1M пучків, де M визначає порядок фільтра. П'є-

зоелектричні перетворювачі, розташовані таким чином, що відстань між їх

центрами уздовж напрямку поширення оптичних пучків дорівнює c , де –

15

час одиничної затримки, c – швидкість світла, збуджують в акустооптичному

середовищі акустичні хвилі з частотою, що забезпечує Брегговський режим

дифракції і амплітудами, які задають коефіцієнти фільтра від 0a до Ma . При

цьому, підсумовування інтенсивностей перших дифракційних порядків вико-

нується лінзою, у той час, як нульові порядки дифракції відфільтровуються

позавісьовою діафрагмою. Таким чином, з виходу фотодетектора знімається

сигнал, згідно з характеристикою перетворення фільтра, яка задана коефіціє-

нтами від 0a до Ma .

Рис. 8. Структурна схема акустооптичного процесора із просторовою

дискретизацією потоку даних

Математичне моделювання виконувалось для наступних параметрів

пристрою: 15c мм (частота дискретизації становить 20 ГГц); порядок фі-

льтра – 32. На рис. 9-а і 9-б наведені, відповідно, амплітудно-частотна та ім-

пульсна характеристики фільтра. На рис. 10 наведено приклад обробки

сигналу акустооптичним процесором із просторовою дискретизацією потоку

даних. Вхідний сигнал (рис. 10-а) містить суму гармонійних складових

16

одиничної амплітуди з частотами 1 Ггц, 6.5 Ггц і 9 Ггц. На рис. 10-б наведена

осцилограма вихідного сигналу.

а) б)

Рис. 9. Амплітудно-частотна (а) та імпульсна (б) характеристики для обраної

конфігурації акустооптичного процесора з просторовою дискретизацією

потоку даних

а) б)

Рис. 10. Результати обробки сигналу акустооптичним процесором з

просторовою дискретизацією потоку даних: вхідний (а) і вихідний (б)

сигнали

В результаті проведених досліджень отримано: метод акустооптичного

бінарного кодування, який може служити основою створення інтегральних

обчислювальних середовищ для пристроїв оптоелектронної обробки даних з

високою роздільною спроможністю (максимальна розрядність - до 500) у

поєднанні з високою швидкістю обробки, яка не залежить від роздільної

спроможності, і можливістю динамічної зміни кількості біт цифрового по-

дання сигналу; структуру акустооптичного процесора з просторовою дискре-

17

тизацією потоку даних з можливістю обробки сигналів в гігагерцовій смузі

частот, що відповідає 1210 MAC (multiply-accumulate operation) операцій за

секунду для обраного порядку фільтра і частоти дискретизації.

У розділі 4 вирішені задачі розробки концепції структури узагальненого

пристрою формування елементів оптоелектронного акустооптичного обчис-

лювального середовища, побудови його функціональної моделі, моделюван-

ня та експериментального дослідження характеристик ІОАОС, в залежності

від різних випадків просторової локалізації обчислювальних елементів.

Процес формування елементів ІОАОС за умов заповнення області взає-

модії акустичними хвильовими пакетами може бути представлено за допомо-

гою математичної моделі (рис. 11).

Рис. 11. Математична модель пристрою формування елементів

оптоелектронного акустооптичного обчислювального середовища

Вираз для поточного відліку за часом оптичного сигналу kвихu на виході

першого дифракційного порядку АОМ має вигляд:

kk вх

Nk

k

k

вих

s

s

s

K uu

1

1

0

0

,

де kвхu - сигнал на оптичному вході АОМ, K - коефіцієнт, який задає ефек-

тивність дифракції у перший порядок, T

kkNkk sss ,,..., 11 s - відліки вхід-

18

ного акустичного сигналу, N – кількість відліків акустичного сигналу, нако-

пичених в апертурі модулятора.

Кількість елементів ІОАОС, які сформовано за час зсуву на довжину по-

ловини розряду VNLt 2 ( L – апертура АОМ, V – швидкість звуку в се-

редовищі, N – число розрядів, що водночас перебувають в апертурі АОМ),

дорівнює сОАВС 2VtLN , де сt – тривалість оптичного імпульсу. Для 256-

розрядної ІОАОС, при сt =10 фс, L =0,05 м, V =3630 м/с, t дорівнює 26,9 нс.

Таким чином, кількість елементів ІОАОС, сформованих за час t , складати-

ме 610680 , при швидкості формування елементів 161056,2 ел/с.

На рис. 12 зображений макет експериментальної установки для дослі-

дження просторово-часового подання сигналів в ІОАОС. Важливою складо-

вою частиною макета є пристрій формування оптичної імпульсної послідов-

ності на напівпровідниковому лазері.

На рис. 13 наведені результати експериментальних досліджень з форму-

вання елементів ІОАОС. Для обраних умов експерименту (брегговський ре-

жим дифракції, апертура АОМ 5,5 мм, частота надходження акустичних ім-

пульсів 2,64 МГц, частота надходження оптичних імпульсів 0,66 МГц) мож-

ливе формування до 4-х елементів середовища.

Рис. 12. Схема макета експериментальної установки

19

2мм

11мм

2мм

11мм

а) б)

U, В

U, В t, мкс

t, мкс

Драйвер АОМ

Драйвер лазера

U, В

U, В t, мкс

t, мкс

Драйвер АОМ

Драйвер лазера

в) г)

2мм

11мм

2мм

11мм

д) є) U, В

U, В t, мкс

t, мкс

Драйвер АОМ

Драйвер лазера

U, В

U, В t, мкс

t, мкс

Драйвер АОМ

Драйвер лазера

ж) з)

Рис. 13. Фотознімки зображень апертури АОМ для першого дифракційного

порядку (а, б, д, є) та осцилограми сигналів, що подаються на драйвери

лазера і АОМ для комбінацій цифрового коду {1111}, {1110}, {1100} і

{1000} (в, г, ж, з) відповідно

У результаті вирішення задач розділу 4 проведене експериментальне до-

слідження процесу формування елементів ІОАОС, засноване на чисельному

моделюванні, виконаному для різних випадків локалізації елементів оптоеле-

ктронного акустооптичного обчислювального середовища, що підтвердило

теоретичну концепцію ІОАОС і обґрунтованість запропонованих методів

проектування акустооптичних пристроїв дискретної обробки інформації.

20

У розділі 5 вирішена задача моделювання режимів функціонування аку-

стооптичних процесорів кореляційного типу з пам'яттю.

В основу корелятора з акустооптичною пам'яттю (рис. 14) покладено

пристрій на фоторефрактивному ефекті, що виникає при проходженні поту-

жного, просторово модульованого світлового пучка через кристал ніобата лі-

тію.

а)

б)

Рис. 14. Структурна схема (а) і математична модель (б) акустооптичного

корелятора з пам'яттю

Електричний сигнал з драйвера АОМ подається на електроакустичний

перетворювач, який збуджує звукову хвилю, що поширюється уздовж крис-

тала PbMoO4. На той же кристал під кутом Брегга направляється лазерний

імпульс малої тривалості з довжиною хвилі 532 нм.

21

Просторово модульований пучок з виходу першого дифракційного по-

рядку АОМ спрямовується у фоторефрактивний кристал ніобата літію, у

якому фіксується зображення просторового розподілу показника заломлення.

Таким чином, здійснюється запам'ятовування модульованого радіочастотно-

го сигналу в другому кристалі. Кореляційна функція для сигналу, збережено-

го у кристалі ніобата літію, та сигналу, що подається в кристал PbMoO4, фо-

рмується на виході фотоприймального пристрою при освітленні акустоопти-

чного модулятора світловими імпульсами малої потужності. Сигнали на ви-

ході фотоприймача, а також вхідні сигнали корелятора з акустооптичною па-

м'яттю для восьмирозрядних бінарних комбінацій представлено на рис. 15.

Рис. 15. Сигнали на виході фотоприймача та вхідні сигнали корелятора

для комбінацій {11111111} і {11111110} (а), {11100000} і {11100001} (б),

{10101010} і {10101010} (в) та {11101010} і {01101010} (г)

22

Показано, що отримані кореляційні функції відповідають теоретичним

уявленням про взаємо-кореляційну функцію дискретних сигналів для кожно-

го з випадків.

За допомогою теоретичних досліджень, чисельного експерименту, моде-

лювання роботи оптоелектронних акустооптичних кореляційних процесорів з

фоторефрактивною пам'яттю продемонстрована та обґрунтована можливість

використання фоторефрактивних зворотних запам'ятовуючих середовищ

(ФЗЗС), як основи вузлів і модулів пам'яті таких процесорів.

У розділі 6 вирішені задачі моделювання фоторефрактивних змін показ-

ника заломлення в кристалі LiNbO3 методом поширюваного пучка та експе-

риментальне дослідження процесів запису-зчитування фоторефрактивних

транспарантів, розробки метода синтезу дифракційних граток у кристалі

LiNbO3.

Принципова подібність процесу обробки потоку даних оптоелектронни-

ми акустооптичними обчислювальними середовищами і електронними спеці-

алізованими обчислювальними системами з точки зору структурної організа-

ції відкриває перспективи побудови ІОАОС з динамічно змінюваною архіте-

ктурою. Наведена аналогія допускає розв'язок завдання створення фотореф-

рактивних зворотних запам'ятовуючих середовищ у складі ІОАОС, в основу

роботи яких може бути покладений ефект локальної зміни показника залом-

лення електрооптичних кристалів під впливом світлового потоку.

Схема пристрою формування просторово-модульованого світлового си-

гналу наведена на рис. 16.

Рис. 16. Структурна схема пристрою формування просторово-модульованого

світлового сигналу

23

Сигнал з виходу цифрового синтезатора частот подається на вхід швид-

кодіючого програмувального зсувного регістру змінної розрядності на ПЛІС,

який генерує керуючі імпульсні послідовності для драйверів акустооптично-

го модулятора і лазерного модуля. Електричний сигнал з драйвера АОМ над-

ходить на електроакустичний перетворювач, що збуджує звукову хвилю в

кристалі PbMoO4. На цей же кристал під кутом Брегга спрямовуються оптич-

ні імпульси малої тривалості з довжиною хвилі 532 нм. Просторово модульо-

ваний пучок з виходу першого дифракційного порядку АОМ освітлює фото-

рефрактивний кристал ніобата літію, в якому фіксується зображення просто-

рового розподілу показника заломлення. Таким чином, здійснюється запам'я-

товування модульованого радіочастотного сигналу в другому кристалі.

У відповідності з теорією фоторефракції вираз для електричного поля

просторового заряду zyxE ,, , який враховує внесок дифузійного та фотово-

льтаїчного ефектів (рішення зв'язаної системи спрощених рівнянь Кухтаре-

ва), має вигляд:

zyxI

eD

NrkzyxIsN

zyxsIN

DzyxE

s

ARD

D

s ,,,,,,

,,

, (5)

де Rr – швидкість рекомбінації носіїв; – рухливість носіїв; – коефіцієнт

поглинання; k – фотовольтаїчна стала (вектор); – швидкість теплової ге-

нерації; AN – концентрація акцепторів; DN – концентрація донорів; e – за-

ряд електрона; s – ефективний перетин іонізації на квант світла;

eTkD Bs – дифузійна стала ( Bk – постійна Больцмана, T – температу-

ра); zyxI ,, – розподіл інтенсивності в площині поперечних координат x і

y для фіксованого значення z у фоторефрактивному матеріалі. Тепловий

ефект також відіграє значну роль в модуляції показника заломлення LiNbO3,

при цьому загальний індукований показник заломлення zyxn ,, може бути

записаний як:

TdT

dnEnzyxn e

33

3

2

1,, , (6)

де en – показник заломлення незвичайної хвилі, 33 – відповідний електроо-

птичний коефіцієнт, dTdn – температурний коефіцієнт показника залом-

лення. Різниця температури в порівнянні з температурою навколишнього се-

редовища zyxT ,, , що виникає через симетричний розподіл інтенсивності,

є рішенням рівняння:

24

IT

2

, (7)

де - теплопровідність середовища.

Зміни показника заломлення отримано у результаті чисельного моделю-

вання та зображено на рис. 17. Дискретна структура розподілу zyxn ,, за

рахунок фотовольтаїчного та дифузійного ефектів суттєво спотворюється

змінами внаслідок теплового ефекту. Співвідношення внесків кожного з ефе-

ктів залежить від потужності світлового потоку та може бути змінене з ме-

тою зменшення внеску теплового ефекту.

Рис. 17. Зміна показника заломлення з урахуванням розглянутих ефектів

При моделюванні еволюції світлового пучка великої інтенсивності (ре-

жим запису), що проходить через кристал ніобата літію, необхідно врахову-

вати фоторефрактивний ефект. Показник заломлення середовища у цьому

випадку залежить від електричної компоненти xE незвичайно поляризованої

світлової хвилі (напрямок вісі x збігається з напрямком головної оптичної

осі кристала):

2

2e xn n n E , (8)

де en – лінійний показник заломлення незвичайної хвилі;

3

2 33

1

2

R Ae

D

k Nn n r

e N

– ефективний нелінійний показник заломлення, R –

швидкість рекомбінації носіїв; 33r – відповідний електрооптичний

коефіцієнт; – рухливість носіїв; – коефіцієнт поглинання; k – фотоволь-

таїчна стала; – швидкість теплової генерації; AN – концентрація акцепто-

рів; DN – концентрація донорів; e – заряд електрона.

25

Режиму зчитування записаної інформації відповідає мала інтенсивність

падаючого світлового пучка, що не призводить до істотної зміни показника

заломлення кристала. Чисельне моделювання зміни компоненти yH магніт-

ного поля виконане з урахуванням значень показника заломлення, отриманих

у процесі запису фазового транспаранта.

Моделювання та експериментальні дослідження процесів запису-

зчитування проведені для кристала LiNbO3: розмір 45109 мм; 2,2en ;

22122 Вм104.1 n . Початкові умови враховують гаусів характер поши-

рення оптичного пучка, а також наявність амплітудного транспаранта, який

складається з темних і прозорих смуг, що чергуються, шириною 0,25 мм. У

процесі запису формується фазовий транспарант, розподіл зміни показника

заломлення n для якого наведено на рис. 18-а.

а) б)

Рис. 18. Фоторефрактивна зміна показника заломлення (а),

фаза електромагнітної хвилі при зчитуванні (б)

Моделювання процесу зчитування фазового транспаранта виконувалося

для компоненти yH магнітного поля, яка містить інформацію про фазову мо-

дуляцію зондувального світлового пучка. На рис. 18-б представлено зміни

фази електромагнітної хвилі, які виникають при поширенні світлового пучка

в кристалі ніобата літію.

Запис і наступне зчитування інформації з фоторефрактивних транспара-

нтів виконувалося з використанням макета експериментальної установки, зо-

браженого на рис. 19. Світловий потік від лазерного модуля DHL-G200 ком-

панії DHOM (Suzhou Daheng Optics and Fine Mechanics) освітлює амплітуд-

ний транспарант у вигляді ґраток (період 0,5 мм), розташований на поверхні

зразка (кристал LiNbO3). Режиму запису відповідає інтенсивність порядку

3 Вт/см2, час експонування – до 10 хвилин. Сформовані в процесі запису пе-

26

ріодичні фазові ґратки після перетворення фазомодульованого світлового по-

току в амплітудно-модульований реєструвалися цифровою дзеркальною фо-

токамерою Nikon D3000. Для обраного часу експонування картина зміни збе-

рігалася протягом тривалого часу (кілька діб). Стирання записаної інформації

забезпечувалося рівномірним засвічуванням кристала ультрафіолетовою ла-

мпою EBT-01.

Рис. 19. Макет експериментальної установки

На рис. 20 наведені фотознімки розподілу інтенсивності вихідного

пучка.

а) б)

Рис. 20. Розподіл інтенсивності вихідного світлового потоку в режимі

зчитування: а) з установленим транспарантом, до запису;

б) записаної інформації

27

Результати експерименту відповідають фізичним уявленням про приро-

ду фоторефрактивного ефекту в кристалі ніобата літія, покладеним в основу

чисельного моделювання процеса запису.

У результаті чисельного моделювання та експериментального дослі-

дження фоторефрактивної зміни показника заломлення в кристалі LiNbO3

показано: досягнуте значення індукованого показника заломлення достатнє

для формування опорного транспаранта, який застосовується в акустооптич-

них пристроях дискретної обробки інформації; можливість синтезу періоди-

чної структури з розміром у половину довжини акустичної хвилі, що може

бути використаним для формування в ІОАОС каналів обробки інформації

малих поперечних розмірів і створення на їх основі фоторефрактивних обо-

ротних запам’ятовувальних середовищ (ФОЗС) з дискретним поданням інфо-

рмації.

У розділі 7 вирішена задача розробки структури та елементів оптоелект-

ронного акустооптичного обчислювального середовища з пам'яттю на основі

ФЗЗС, що потребувало створення математичної моделі патерну міжз’єднань

в оптичних обчислювальних пристроях з динамічно змінюваною архітекту-

рою і моделювання процесу динамічної зміни архітектури ІОАОС.

Оптоелектронне акустооптичне обчислювальне середовище, що містить

блоки оптичних міжз'єднань на основі фоторефрактивного зворотного запа-

м'ятовувального середовища представляє собою аналог програмувальних ло-

гічних інтегральних схем (ПЛІС) з погляду структурної організації. Конфігу-

рування архітектури обчислювального пристрою на основі ПЛІС здійснюєть-

ся програмуванням відповідних з'єднань між логічними блоками кристала.

Проводячи аналогію ПЛІС – ІОАОС можна розглядати запис дифракційних

ґраток, які задають конфігурацію об'ємних міжз'єднань, у ФОЗС, як динаміч-

ну зміну архітектури ІОАОС.

В ІОАОС можлива організація об'ємних оптичних міжз'єднань у вигляді

матриці багатоканальних дефлекторів, сформованої у ФОЗС. Пристрій запи-

су інформації у фоторефрактивний кристал містить дві пари акустооптичних

модуляторів, які працюють за схемою паралельної дифракції на зустрічних

акустичних пучках, розташованих ортогонально один до одного.

На рис. 21 зображена двоярусна ІОАОС з динамічно змінюваною архіте-

ктурою. Перший ярус виконує булеве тензорне множення парафазних вхід-

них сигналів, генеруючи набір мінтермів, який задано конфігурацією міжз'є-

днань. При цьому результат логічного додавання вхідних значень, що надхо-

дять від матриці поверхнево-випромінюючих лазерів з вертикальним резона-

тором (VCSEL) та перенаправляються матрицею багатоканальних дефлекто-

рів ФЗЗС, формується на обраному елементі матриці фотодетекторів, і інтер-

претується як відповідний мінтерм.

28

Рис. 21. Двоярусна ІОАОС з динамічно змінюваною архітектурою

Наступний ярус ІОАОС реалізує булеве тензорне додавання мінтермів

першого ярусу, генеруючи суму добутків, відповідно до узагальненої теоре-

ми цифрових обчислень Шеннона.

Створення методики розрахунків і проектування оптичних обчислюваль-

них пристроїв з динамічно змінюваною архітектурою вимагає моделювання

фізичних процесів з використанням уявлень про поширення та взаємодію

електромагнітних хвиль у ФОЗС, з урахуванням результатів попереднього

математичного моделювання процесів запису/зчитування, заснованого на

спрощених поданнях теорії сигналів.

Розроблено математичну модель патерна міжз'єднань, сформованого у

фоторефрактивному кристалі, з урахуванням оптичної схеми формуючого

пристрою. На систему із двох акустооптичних модуляторів 1 і 2, кожний з

яких повернутий на кут Брегга B щодо осі x , як показано на рис. 22, падає

оптичний пучок з гаусовим профілем розподілу інтенсивності

kztjEtzxE Gin exp,, , де 20

20 exp wxEEG , 0E – амплітуда на-

пруженості електричного поля, 0w – перетяжка лазерного пучка, – кругова

частота оптичного випромінювання, 2k – хвильовий вектор,

532.0 мкм – довжина хвилі у вільному просторі.

29

Рис. 22. Структурна схема пристрою формування патерна міжз'єднань

У стаціонарному режимі розподіл показника заломлення у фоторефрак-

тивному кристалі, обумовлений одночасним впливом світлових потоків

1ˆ

AOME і 2ˆ

AOME , запишеться як:

,2cosˆˆ2ˆˆ

ˆˆ,

21212

222

21

212

2

212

KxEEEEnn

EEnnzxn

GGGGe

AOMAOMe

(9)

де

20

2

001 2sin2cosexp,ˆ wzxxEzxE BBG ,

20

2

002 2sin2cosexp,ˆ wzxxEzxE BBG ,

en – лінійний показник заломлення незвичайної хвилі, 2n – ефективний нелі-

нійний показник заломлення, B – кут Брегга, 2K – акустичний хви-

льовий вектор, і – довжина та кругова частота акустичної хвилі. Вираз

(9) при 2/2/ 00 hzzhz (рис. 22) представляє собою математичну мо-

30

дель патерна міжз'єднань, що створюється у фоторефрактивному кристалі.

Відповідно до рис. 22, патерн міжз'єднань формується в результаті запи-

су дифракційних ґраток у фоторефрактивному кристалі. Залежно від харак-

теристик ґраток, змінюється картина просторового розподілу дифракційних

максимумів, що, по суті, і визначає структуру об'ємних міжз'єднань. На прак-

тиці можливе створення матриці оптичних перемикачів, що працюють у ре-

жимі дифракції Рамана-Ната при висвітленні немодульованим лазерним пуч-

ком, або більш складних архітектур оптоелектронних обчислювальних при-

строїв з використанням акустооптичних модуляторів, які реалізують разом з

фоторефрактивним зворотним запам'ятовуючим середовищем акустооптич-

ний процесор кореляційного типу.

Моделювання процесу запису виконано з урахуванням того, що падаючі

світлові пучки мають складові магнітного поля тільки уздовж осі y , складові

електричного поля тільки в площині xz , гаусів розподіл амплітуди і спрямо-

вані під кутом B2 до осі z . Для показника заломлення ФОЗС 2,2n , дов-

жини світлової хвилі у вільному просторі мкм 532,00 та розміру області

аналізу 620124 ( - довжина хвилі світла в матеріалі середовища), об-

ласть моделювання становить 2мкм 15030 .

Дифракційні картини, що відповідають різним структурам патерна та ві-

дображають його комутуючі властивості, наведені на рис. 23. Характерний

розмір області локалізації патерна міжз'єднань для довжини хвилі світла

0,532 мкм становить 100х100 мкм, що пов'язане з дифракційними обмежен-

нями. Можливості сучасних акустооптичних модуляторів дозволяють запи-

сати у ФОЗС матрицю із 512х512 патернів, що забезпечить 1110 перехресних

міжз'єднань і продуктивність 2110 оп/с при пропускній спроможності оптич-

ного каналу 10 Гб/с.

Рис. 23. Ілюстрація зміни напрямку поширення дифрагованих пучків,

залежно від структури патерна

31

У розділі 7 побудована математична модель патерна міжз'єднань в опти-

чних обчислювальних пристроях з динамічно змінюваною архітектурою, яка

може бути основою для синтезу структурно складних блоків пам'яті в опто-

електронних процесорах, забезпечуючи загальну продуктивність системи на

рівні 2110 операцій у секунду для існуючої елементної бази; виконане моде-

лювання завдання про дифракцію світлової хвилі на ґратках, синтезованих у

ФОЗС, яке показало можливість перекомутації об'ємних міжз'єднань в акус-

тооптичних оптоелектронних пристроях обробки інформації.

ВИСНОВКИ

В дисертації розроблено фізико-технічні основи створення високопро-

дуктивних інтегральних оптоелектронних акустооптичних обчислювальних

середовищ, що містять акустооптичні пристрої дискретної обробки та фото-

рефрактивні пристрої зберігання інформації.

1. В результаті аналізу основних концепцій побудови та принципів фун-

кціонування сучасних спеціалізованих оптичних комп'ютерних систем, мож-

на зробити висновок про їх подібність відповідним електронним. Показано,

що повна аналогія з вже існуючими електронними обчислювальними систе-

мами дозволить перенести добре відпрацьовані архітектурні рішення таких

систем на оптичні комп'ютерні системи. У зв'язку з цим, стає очевидною не-

обхідність включення в структуру спеціалізованих оптоелектронних комп'ю-

терних систем пристроїв об’ємних оптичних міжз’єднань. Як основу для

створення таких пристроїв доцільно використовувати фоторефрактивні мате-

ріали, оскільки характерна для них висока щільність записуваної інформації

відповідає високій щільності потоку оброблюваних даних.

2. Запропоновано математичний опис принципів функціонування опто-

електронних акустооптичних пристроїв, що здійснюють одночасно як прос-

торове, так і часове перетворення інформації з високою точністю, який за-

сновано на просторово-часовому поданні дискретних оптичного та акустич-

ного сигналів. Отримана, відповідно до цих уявлень, математична модель оп-

тоелектронного акустооптичного обчислювального середовища є теоретич-

ною основою поняття інтегрального ІОАОС .

3. Виконано електродинамічне моделювання взаємодії світлових і акус-

тичних імпульсів в акустооптичному середовищі двовимірним векторним ме-

тодом скінченних елементів показало можливість побудови обчислювально-

го середовища при малих розмірах області взаємодії, що може бути покладе-

не в основу створення оптоелектронних пристроїв, ступінь інтеграції яких

може бути збільшений за рахунок підвищення частоти проходження оптич-

них і акустичних імпульсів.

32

4. Виконані математичне моделювання та експериментальне досліджен-

ня процесу формування основних компонентів ІОАОС – елементів обчислю-

вального середовища, для різних випадків їх локалізації, відповідно до за-

пропонованого методу акустооптичного бінарного кодування, які підтверди-

ли теоретичну концепцію ІОАОС і обґрунтованість розроблених методів

проектування акустооптичних пристроїв дискретної обробки інформації.

5. Отримано технічні характеристики ІОАОС, відповідно до яких, його

продуктивність (швидкість формування елементів становить 1610 ел/с) порів-

няна з найбільш сучасними електронними процесорами, однак створення

ІОАОС не пов'язане з рядом технологічних проблем, властивих електронній

техніці.

6. Запропонована архітектура акустооптичного процесора з просторовою

дискретизацією потоку даних, яка забезпечує підвищену продуктивність за

рахунок використання оптичного сигналу як носія оброблюваної інформації.

Моделювання роботи такого процесора в режимі трансверсального фільтра

показало можливість обробки сигналів у гігагерцовій смузі частот, що відпо-

відає 1210 MAC (multiply–accumulate operation) операцій у секунду для обра-

ного порядку фільтра та частоти дискретизації.

7. Показана можливість формування фоторефрактивних фазових транс-

парантів у кристалі LiNbO3 з метою реалізації в ІОАОС каналів обробки ін-

формації малих поперечних розмірів і створення на їх основі ФОЗС із дис-

кретним поданням інформації.

8. Запропонована математична модель паттерна міжз'єднань в оптичних

обчислювальних пристроях з динамічно змінюваною архітектурою, яка може

бути основою для синтезу структурно складних блоків пам'яті в оптоелект-

ронних процесорах, забезпечуючи загальну продуктивність системи на рівні 2110 операцій в секунду для існуючої елементної бази.

9. Запропоновані структура і математична модель високопродуктивного

інтегрального оптоелектронного обчислювального середовища з динамічно

змінюваною архітектурою з загальним числом каналів 2512 (матриця

512512 ), яка у випадку використання об'ємних міжз'єднань, реалізованих

ФОЗС, дозволить двоярусному ІОАОС реалізувати обчислення комбінацій-

ної функції 250 тисяч логічних змінних (1-й ярус – множення, 2-й - додаван-

ня).

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Липинский А.Ю. Оптоэлектронные интегральные вычислительные

среды / А.Ю. Липинский. — Донецк: Ноулидж, 2010. — 147 с.

33

2. Белик Т.В. Планарные и канальные световодные структуры на основе

ниобата и танталата лития / Т.В. Белик, В.В. Данилов, Е.В. Деркаченко,

В.В. Долбещенков, А.Н. Крыщенко, А.Ю. Липинский // Вестник Донецкого

университета. Серия А. Естественные науки. — 2005. — №1. — С. 212–229.

Здобувачу належить математичний опис пристроїв.

3. Данилов В.В. Физические основы создания многоэлементных полу-

проводниковых приемников излучения / В.В. Данилов, В.В. Жук, А.Ю. Ли-

пинский, А.Н. Рудякова // Вестник Донецкого университета. Серия А. Есте-

ственные науки. — 2005. — №2. — С. 135–156. Здобувачу належить мате-

матичний опис пристроїв.

4. Рудякова А.Н. Оптоэлектронный акустооптический цифро-

аналоговый преобразователь / А.Н. Рудякова, А.Ю. Липинский, В.В. Данилов

// Реєстрація, зберігання і обробка даних. — 2007. — Т. 9, № 4. — С. 119–131.

Здобувачу належить ідея структурної організації пристрою.

5. Липинский А.Ю. Оптоэлектронные акустооптические устройства

обработки дискретной информации / А.Ю. Липинский, А.Н. Рудякова,

В.В. Данилов // Вестник Государственного университета информационно-

коммуникационных технологий. — 2007. — Т. 5, № 4. — С. 51–59. Здобувачу

належить математичний опис пристроїв.

6. Rudiakova A.N. Finite-element modeling of acousto-optical devices for

discrete signal processing / A.N. Rudiakova, A.Y. Lipinskii, V.V. Danilov //

Telecommunications and Radio Engineering. — 2008. — Vol. 67, No. 11. —

P. 1001–1016. (Входить до реферативної бази даних SciVerse Scopus.) Здобу-

вачу належить математичний опис пристрою.

7. Рудякова А.Н. Разрядно-цифровое кодирование в акустооптической

среде / А.Н. Рудякова, А.Ю. Липинский, В.В. Данилов // Всеукр. межвед.

науч.-техн. сб. «Радиотехника». — 2008. — № 153. — С. 145–151. Здобува-

чем розроблено математичну модель, що враховує виконання просторового і

часового перетворень інформації в акустооптичному середовищі, та вико-

нано її експериментальне обґрунтування.

8. Рудякова А.Н. Макет экспериментальной установки для исследования

пространственно-временного интегрирования в акустооптической среде /

А.Н. Рудякова, А.Ю. Липинский, В.В. Данилов // Технология и

конструирование в электронной аппаратуре. — 2008. — № 5. — С. 50–55.

(Реферується науковометричною базою даних eLIBRARY.RU та міжнарод-

ною базою даних DOAJ.) Здобувачу належить ідея структурної організації

пристрою.

9. Lipinskii A.Y. Acoustooptic binary coding based on space-time integration

and its application to ultrafast high-resolution digital-analog conversion /

A.Y. Lipinskii, A.N. Rudiakova, V.V. Danilov // IEEE Photonics Technology

Letters. — 2008. — Vol. 20, No. 24. — P. 2087–2089. (Входить до рефератив-

34

ної бази даних SciVerse Scopus.) Здобувачем запропоновано математичний

опис пристрою.

10. Липинский А.Ю. Моделирование процесса формирования элементов

оптоэлектронной акустооптической вычислительной среды /

А.Ю. Липинский, А.Н. Рудякова // Всеукр. межвед. науч.-техн. сб.

«Радиотехника». — 2009. — № 158. — С. 89–94. Здобувачем запропоновано

функціональну модель процеса формування елементів оптоелектронного

акустооптичного обчислювального середовища.

11. Липинский А.Ю. Пространственно-временное представление

сигналов в акустооптических устройствах дискретной обработки

информации / А.Ю. Липинский // Реєстрація, зберігання і обробка даних. —

2009. — Т. 11, № 1. — С. 74–86.

12. Липинский А.Ю. Бистабильные оптоэлектронные устройства /

А.Ю. Липинский // Всеукр. межвед. науч.-техн. сб. «Радиотехника». — 2010.

— № 160. — С. 325–332.

13. Данилов В.В. Оптоэлектронные устройства потоковой обработки

информации / В.В. Данилов, А.Ю. Липинский, А.Н. Рудякова // Реєстрація,

зберігання і обробка даних. — 2010. — Т. 12, № 2. — С. 198–201. Здобувачу

належить математичний опис пристроїв.

14. Устройство формирования элементов оптоэлектронной

акустооптической вычислительной среды / А.Ю. Липинский, А.Н. Рудякова,

И.Ю. Рудяков, В.В. Данилов // Технология и конструирование в электронной

аппаратуре. — 2010. — № 3. — С. 9–12. (Реферується науковометричною ба-

зою даних eLIBRARY.RU та міжнародною базою даних DOAJ.) Здобувачу

належить ідея структурної організації пристрою.

15. Rudiakova A.N. Present‐day photon digital‐to‐analog converters /

A.N. Rudiakova, A.Y. Lipinskii, V.V. Danilov // Telecommunications and Radio

Engineering. — 2011. — Vol. 70, No. 2. — P. 159–169. (Входить до рефератив-

ної бази даних SciVerse Scopus.) Здобувачу належить математичний опис

пристроїв.

16. Липинский А.Ю. Моделирование фоторефрактивного изменения

показателя преломления в кристалле LiNbO3 / А.Ю. Липинский,

А.Н. Рудякова // Всеукр. межвед. науч.-техн. сб. «Радиотехника». — 2011. —

№ 164. — С. 150–154. Здобувачем запропоновано математичну модель про-

цесу фоторефрактивної зміни показника заломлення в кристалі ніобата

літію під впливом просторово-модульованого падаючого світлового потоку з

дискретним характером розподілу інтенсивності.

17. Липинский А.Ю. Моделирование процессов записи-чтения

фоторефрактивных транспарантов методом распространяющегося пучка /

А.Ю. Липинский, А.Н. Рудякова, В.В. Данилов // Реєстрація, зберігання і

обробка даних. — 2011. — Т. 13, № 2. — С. 16–26. Здобувачем запропонова-

35

но математичний опис процесів запису-зчитування фоторефрактивних

транспарантів на основі скінченно-різницевого формулювання методу пучка,

що поширюється, та виконано його експериментальне обгрунтування.

18. Lipinskii A.Y. Acousto-optic computing environment for stream data

processing / A.Y. Lipinskii, A.N. Rudiakova // Applied Optics. — 2011. — Vol.

50, No. 25. — P. 4917–4921. (Входить до реферативної бази даних SciVerse

Scopus.) Здобувачем запропоновано математичну модель акустооптичного

обчислювального середовища.

19. Липинский А.Ю. Фоторефрактивные кристаллы в запоминающих

устройствах оптоэлектронных процессоров корреляционного типа /

А.Ю. Липинский, А.Н. Рудякова, В.В. Данилов // Технология и

конструирование в электронной аппаратуре. — 2011. — № 6. — С. 5–9. (Ре-

ферується науковометричною базою даних eLIBRARY.RU та міжнародною

базою даних DOAJ.) Здобувачу належить математичний опис пристрою.

20. Липинский А.Ю. Синтез дифракционных решеток в кристалле

LiNbO3 / А.Ю. Липинский // Всеукр. межвед. науч.-техн. сб. «Радиотехника».

— 2012. — № 169. — С. 343–348.

21. Липинский А.Ю. Моделирование процесса динамического

изменения архитектуры оптоэлектронной акустооптической вычислительной

среды / А.Ю. Липинский, А.Н. Рудякова, В.В. Данилов // Всеукр. межвед.

науч.-техн. сб. «Радиотехника». — 2013. — № 172. — С. 147–153. Здобувачу

належить математичний опис процесу динамічної зміни архітектури об-

числювального пристрою.

22. Липинский А.Ю. Устройство управления лазерным модулем

оптоэлектронной вычислительной среды с динамически изменяемой

архитектурой / А.Ю. Липинский // Технология и конструирование в

электронной аппаратуре. — 2013. — № 4. — С. 19–22. (Реферується науко-

вометричною базою даних eLIBRARY.RU та міжнародною базою даних

DOAJ.)

23. Липинский А.Ю. Математическая модель паттерна межсоединений в

оптических вычислительных устройствах с динамически изменяемой

архитектурой / А.Ю. Липинский // Реєстрація, зберігання і обробка даних. —

2013. — Т. 15, № 3. — С. 26–34.

24. Пат. U29963 Украина, МКИ G06J 1/00, G06F 15/00, G02F 1/00, G02F

1/01. Акустооптический цифро-аналоговый преобразователь с

пространственно-временным интегрированием / А.Н. Рудякова,

А.Ю. Липинский, В.В. Данилов; Донецкий национальный университет. — №

u200704309; заявл. 19.04.07; опубл. 11.02.08, Бюл. №3. Здобувачу належить

ідея способу кодування інформації в акустооптичному середовищі.

25. Рудякова А.Н. Моделирование оптоэлектронного акустооптического

цифро-аналогового преобразователя с пространственно-временным

36

интегрированием / А.Н. Рудякова, А.Ю. Липинский, В.В. Данилов // Труды

восьмой международной научно-практической конференции «Современные

информационные и электронные технологии». — Одесса, 2007. — С. 247.

Здобувачу належить ідея структурної організації пристрою.

26. Рудякова А.Н. Математическая модель акустооптического

преобразовательного цифро-аналогового модуля / А.Н. Рудякова,

А.Ю. Липинский, К.И. Борщева // Труды девятой международной научно-

практической конференции «Современные информационные и электронные

технологии». — Одесса, 2008. — С. 198. Здобувачем запропоновано мате-

матичний опис пристрою.

27. Липинский А.Ю. Формирователь оптической импульсной

последовательности на полупроводниковом лазере / А.Ю. Липинский,

А.Н. Рудякова, В.В. Данилов // Труды десятой международной научно-

практической конференции «Современные информационные и электронные

технологии». — Одесса, 2009. — С. 227. Здобувачу належить ідея струк-

турної організації пристрою.

28. Липинский А.Ю. Оптоэлектронное акустооптическое бистабильное

устройство с обратной связью по оптическому каналу / А.Ю. Липинский,

А.Н. Рудякова, В.В. Данилов // Труды одиннадцатой международной научно-

практической конференции «Современные информационные и электронные

технологии». — Одесса, 2010. — С. 58. Здобувачу належить ідея структур-

ної організації пристрою.

29. Липинский А.Ю. Моделирование коррелятора с акустооптической

памятью / А.Ю. Липинский, А.Н. Рудякова // Сборник научных трудов 3-ей

международной научной конференции «Функциональная компонентная база

микро-, опто- и наноэлектроники». — Харьков-Кацивели, 2010. — С. 45–48.

Здобувачем запропонована математична модель акустооптичного кореля-

тора з пам'яттю.

30. Липинский А.Ю. Фоторефрактивные кристаллы в запоминающих

устройствах акустооптических процессоров / А.Ю. Липинский,

А.Н. Рудякова // Труды двенадцатой международной научно-практической

конференции «Современные информационные и электронные технологии».

— Одесса, 2011. — С. 293. Здобувачу належить математичний опис зміни

показника заломлення.

31. Липинский А.Ю. Оптоэлектронные вычислительные среды с

динамически изменяемой архитектурой / А.Ю. Липинский, А.Н. Рудякова //

Труды тринадцатой международной научно-практической конференции

«Современные информационные и электронные технологии». — Одесса,

2012. — С. 316. Здобувачу належить ідея структурної організації пристрою.

32. Липинский А.Ю. Формирование дифракционных решеток в

кристалле LiNbO3 методом фоторефрактивной записи / А.Ю. Липинский,

37

А.Н. Рудякова, В.В. Данилов // Труды четырнадцатой международной

научно-практической конференции «Современные информационные и

электронные технологии». — Одесса, 2013. — С. 168–169. Здобувачу нале-

жить ідея структурної організації пристрою.

33. Липинский А.Ю. Акустооптический процессор с пространственной

дискретизацией потока данных / А.Ю. Липинский, А.Н. Рудякова,

В.В. Данилов // Сборник научных трудов 6-й международной научной

конференции «Функциональная база наноэлектроники». — Харьков-Крым,

2013. — С. 306–309. Здобувачу належить ідея структурної організації при-

строю.

АНОТАЦІЯ

Ліпінський О.Ю. Основи створення оптоелектронних інтегральних

обчислювальних середовищ для спеціалізованих комп’ютерних систем. –

Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за

спеціальністю 05.13.05 – Комп’ютерні системи та компоненти. – Національ-

ний технічний університет України «Київський політехнічний інститут»,

Київ, 2014.

Викладено фізико-технічні основи створення оптоелектронних акустоо-

птичних обчислювальних і фоторефрактивних запам'ятовуючих пристроїв у

складі оптоелектронних інтегральних обчислювальних середовищ з динаміч-

но змінюваною архітектурою. Виконано математичне моделювання та експе-

риментальне дослідження процесу формування елементів інтегрального оп-

тоелектронного обчислювального середовища, показано, що його продуктив-

ність (швидкість формування елементів становить ~1710 ел/с) порівнянна з

найбільш сучасними електронними процесорами, разом з тим його створення

не пов'язане з рядом технологічних проблем, властивих електронній техніці.

Запропоновано математичну модель паттерна оптичних міжз'єднань та

розроблено структуру і математичну модель оптоелектронного інтегрального

обчислювального середовища з динамічно змінюваною архітектурою, що у

випадку використання об'ємних міжз'єднань дозволить реалізувати обчис-

лення комбінаційної функції 250 тисяч логічних змінних, забезпечуючи зага-

льну продуктивність системи на рівні 2110 операцій за секунду для існуючої

елементної бази.

Ключові слова: інтегральне обчислювальне середовище, оптоелектрон-

не акустооптичне обчислювальне середовище, фоторефрактивне зворотне за-

пам'ятовуюче середовище, оптичні обчислювальні пристрої з динамічно змі-

нюваною архітектурою, патерн міжз’єднань, просторова дискретизація пото-

ку даних.

38

Lipinskii A.Y. Design fundamentals of optoelectronic integrated compu-

ting environments for specialized computer systems. – Manuscript.

Dissertation on competition of the doctor of technical sciences scientific

degree on the 05.13.05 speciality – Computing systems and components. –

National technical university of Ukraine “Kiev polytechnic institute”, Kiev, 2014.

The physical and technical background of the creation of optoelectronic

acousto-optic computing environments with dynamically configurable architecture

on the base of optoelectronic acousto-optic computing devices and photorefractive

storage media is developed. The mathematical modeling and experimental investi-

gation of the computing environment elements’ formation process were conducted,

and was shown, that its performance (the rate of elements’ formation of ~ 1710 el/s)

is comparable with the most advanced electronic processors, while is not associat-

ed with a number of technological challenges inherent in electronic engineering.

The mathematical model of the pattern of optical interconnections was pro-

posed, and the structure and mathematical model of optoelectronic integrated

computing environment with dynamically changeable architecture was developed,

which in the case of bulk interconnections allows to calculate the combinational

logic functions of 250000 variables and to provide the 2110 operations per second

performance with the existing elements’ base.

Key words: integrated computing environment, acousto-optical

optoelectronic computing environment, photorefractive reversible storage media,

optical computing devices with dynamically changeable architecture, interconnect

pattern, spatial sampling of data stream.

Липинский А.Ю. Основы создания оптоэлектронных интегральных

вычислительных сред для специализированных компьютерных систем.

– Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по

специальности 05.13.05 – Компьютерные системы и компоненты. – Национа-

льный технический университет Украины «Киевский политехнический инс-

титут», Киев, 2014.

Изложены физико-технические основы создания оптоэлектронных аку-

стооптических вычислительных фоторефрактивных запоминающих

устройств в составе оптоэлектронных вычислительных сред с динамически

изменяемой архитектурой.

Показано и обосновано: несомненное преимущество оптических межсое-

динений по сравнению с электронными, связанное с перспективами сниже-

ния энергии, потребляемой на один бит для межсоединений точка-точка, ме-

нее, чем 1000 фотонов, большей плотностью межсоединений, высокими коэ-

ффициентами разветвления по входу и выходу; перспективно использовать

39

фоторефрактивные материалы как основу для создания запоминающих уст-

ройств оптических компьютерных систем, поскольку характерная для них

высокая плотность записываемой информации соответствует высокой плот-

ности потока обрабатываемых данных.

Предложено математическое описание принципов функционирования

оптоэлектронных акустооптических устройств, осуществляющих одновре-

менно как пространственное, так и временное преобразование информации с

высокой точностью, основанное на пространственно-временном представле-

нии дискретных оптического и акустического сигналов. Полученная, в соот-

ветствии с этими представлениями, математическая модель оптоэлектронной

акустооптической вычислительной среды является теоретической основой

понятия интегральной оптоэлектронной акустооптической вычислительной

среды (ИОАВС).

Выполнены математическое моделирование и экспериментальное ис-

следование процесса формирования основных компонентов ИОАВС – эле-

ментов вычислительной среды для различных случаев их локализации, в со-

ответствии с предложенным методом акустооптического бинарного кодиро-

вания, которые подтвердили теоретическую концепцию ИОАВС и обосно-

ванность разработанных методов проектирования акустооптических

устройств дискретной обработки информации.

Получены технические характеристики ИОАВС, в соответствии с кото-

рыми, ее производительность (скорость формирования элементов составляет

~1710 эл/с) сравнима с наиболее современными электронными процессорами,

вместе с тем создание ИОАВС не связано с рядом технологических проблем,

присущих электронной технике.

Предложена архитектура акустооптического процессора с простран-

ственной дискретизацией потока данных, обеспечивающая повышенную

производительность за счет использования оптического сигнала в качестве

носителя обрабатываемой информации. Моделирование работы такого про-

цессора в режиме трансверсального фильтра показало возможность обработ-

ки сигналов в гигагерцовой полосе частот, что соответствует 1210 MAC

(multiply–accumulate operation) операций в секунду для выбранного порядка

фильтра и частоты дискретизации.

Выполнено численное моделирование процесса синтеза дифракционных

решеток в кристалле LiNbO3, продемонстрировавшее возможность формиро-

вания фоторефрактивных фазовых транспарантов с целью реализации в

ИОАВС каналов обработки информации малых поперечных размеров и со-

здания на их основе фоторефрактивных обратимых запоминающих

сред (ФОЗС) с дискретным представлением информации.

Предложена математическая модель паттерна межсоединений в опти-

40

ческих вычислительных устройствах с динамически изменяемой архитекту-

рой, которая может служить основой для синтеза структурно сложных бло-

ков памяти в оптоэлектронных процессорах, обеспечивая общую производи-

тельность системы на уровне 2110 операций в секунду для существующей

элементной базы.

Разработаны структура и математическая модель высокопроизводитель-

ной оптоэлектронной вычислительной среды с динамически изменяемой ар-

хитектурой с общим числом каналов порядка 2512 , которая в случае исполь-

зования объемных межсоединений, реализуемых ФОЗС, позволит двухъ-

ярусной ИОАВС реализовать вычисление комбинационной функции 250 ты-

сяч логических переменных.

Ключевые слова: интегральная вычислительная среда, оптоэлектронная

акустооптическая вычислительная среда, фоторефрактивная обратимая запо-

минающая среда, оптические вычислительные устройства с динамически из-

меняемой архитектурой, паттерн межсоединений пространственная дискре-

тизация потока данных.