ФУКЦИОНАЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА КАК

ГОЛОГРАФИЧЕСКАЯ КОНЦЕПЦИЯ В СОВРЕМЕННОЙ МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ

А.А.Щука

Московский институт радиотехники, электроники и автоматики,

117454, Москва, пр.Вернадского, 78.

1.Введение.

Динамические неоднородности являются фундаментальной категорией функциональной электроники и представляют собой локальную область на поверхности или в объеме континуальной среды с отличными от ее окружения характеристиками, не имеющие внутри себя статических неоднородностей и способные тем или иным способом передавать или хранить информацию [1]. Использование динамических неоднородностей в процессорах или устройствах памяти открывает возможность обработки больших массивов информации в реальном времени [2]. Динамические неоднородности имеют различную физическую природу: зарядовые пакеты из частиц или квазичастиц, домены электрической или магнитной природы, различного типа волны. Особый интерес представляют волны будь то акустические, магнито-статические, электрические, электромагнитные, волны в самоорганизующихся средах...

2.Нелинейные взаимодействия акустических волн.

Процесс нелинейного взаимодействия динамических неоднородностей в виде акустических волн или акустической несущей волны с опорной акустической или электрической волной в континуальной пьезоэлектрической среде приводит к формированию потенциального пространственного рельефа из зарядов поверхностных объемных ловушек [3]. Возникновение потенциального рельефа обусловлено поперечным акустоэлектронным эффектом и может быть описано с помощью дисперсионных диаграмм в координатах "волновое число (к)- частота (w )". Если сигнал S(t)exp(iw t) подается на вход, то возбуждается волна в направлении z со скоростью u с поперечным полем

E^ ~ S(t-z/u ) exp i(w t-kz),

которое формирует распределение зарядов пямяти

Рис.1. Дисперсионные диаграммы импульсного метода

записи (а) и считывания (б), параметрического ме-

тода записи (в) и считывания (г).

Q_S(z) ~ S(-z/u ) e^ikz.

На дисперсионной диаграмме сигнал S(w ₁, k₁) взаимодействуя с ВЧ-полем (w ₁, k₂=0) формирует "образ" в виде распределенных зарядов

(рис.1 а)

Функция Q_S(z) является функцией корреляции сигналов S и W, а время интегрирования определяется временем записи t . Запись может быть осуществлена с помощью матрицы полупроводниковых диодов с барьером Шотки, которая прилегает к слою пьезоэлектрика (рис.2). При нулевом или обратном смещении диодов

изменения плотности заряда в приповерхностном слое полупроводника затрагивают лишь области обеднения. Фик-

  Рис.2. Устройство акустической голограммы. 1 - матрица полупроводниковых диодов; 2 - подложка

LiNbO₃ ; 3 - ПАВ; 4 - поликремний; 5 - слой SiO₂;

6 - кремниевая подложка; 7 - параметрический

электрод.

сирование пространственного заряда можно осуществить путем подачи на структуру короткого импульса отрицательного напряжения, который открывает диоды. Диоды заряжаются в соответствии с мгновенным значением электрического поля поверхностной акустической волны.

Как и в классической голограмме, в полупроводниковой голограмме зафиксирована информация об амплитудном и фазовом распределении входного сигнала. Заряд матрицы диодов, выполняющий функцию голограммы, складывается из однородного (Q_O) и меняющегося (Q_S) зарядов, обусловленных импульсом смещения U_см и полем волны.

Время хранения информации определяется токами утечки диодов, а предельная длительность запоминаемых сигналов пропорциональна величине T=L/u , где L - длина матрицы, u - скорость звука.

Считывание записанной информации или процесс восстановления (реконструкции) входного сигнала может быть осуществлен путем подачи импульса поперечного напряжения R(t) на параметрический электрод. Этим импульсом открываются диоды и разрушающий заряд памяти снимает локальные деформации в пьезоэлектрике, вызванные электрическими зарядами Q_S(z). Произойдет "размораживание" двух поверхностно-акустических волн, распространяющихся в противоположных направлениях (рис.1,б). Волна распространяющаяся от входного преобразователя, является копией входного сигнала, а обратная волна соответствует инвертированному во времени входному сигналу.

Таким образом, на входе 1 будет зафиксирован сигнал корреляции

а на входе 2 сигнал свертки

записанного и считывающего сигналов (рис.1, б). Параметрический метод записи акустической голограммы предусматривает подачу сигнала записи на параметрический электрод. Аналогичный результат получается при подаче сигнала записи на противоположный встречноштыревой преобразователь (рис.1, в).

Распределение заряда в полупроводниковой матрице в этом случае описывается функцией

которая также представляет собой функцию корреляции сигналов S и W . При считывании информации акустической волной

R(t-z/u ) exp i(w t-kz)

происходит нелинейное смешивание в полупроводнике электрических полей статического заряда памяти с ВЧ-полями волны. На параметрическом электроде получается сигнал корреляции входного и считывающего сигналов

(рис.1,г).

Аналогичный сигнал свертки может быть получен и при подаче считывающей волны с противоположного электрода.

Заметим, что как и в классической голографии каждый бит информации "размазывается" по всей поверхности полупроводниковой диодной матрицы и запоминается всем массивом диодов. Это делает запись достаточно надежной, отличающейся высокой помехоустойчивостью.

Оценки показывают, что такая голограмма может хранить ~ 10⁵ бит с плотностью 10^5¸ 10⁶ бит/см² и скоростью ввода/вывода ~ 10⁸ бит/с.

3.Голография волновых пакетов

Одним из видов динамических неоднородностей волновой природы являются волновые пакеты, представляющие собой когерентные сигналы длительностью 10^-14 с и менее. Волновые пакеты имеют пространственно-временные характеристики существенно меньше характерных размеров элементов оптических систем. Это позволяет проектировать изменение как пространственной, так и временной структуры излучения.

Широкие возможности обработки информации появляются при использовании пространственного спектрального разложения сверхкоротких импульсов [5]. Разработана идея создания динамических голограмм спектрального разложения сверхкоротких импульсов. По существу это оптические элементы, позволяющие производить пространственно-временные преобразования оптического излучения за время 10^-12¸ 10^-14 с. Использование таких процессоров открывает возможность создания устройства обработки информационных массивов со скоростью > 10¹² бит/с.

4. Голография самоорганизующихся сред

Самоорганизующиеся среды, представляющие собой физико-химическое объединение в единую систему разнородных материалов, могут порождать диссипативные структуры [6]. Эти структуры существуют только в неравновесных условиях и для поддержания упорядоченности необходим процесс диссипации энергии. Причина образования диссипативных структур кроется в нелинейном характере взаимодействия элементов. При этом одородная среда приобретает усилительные свойства и микроскопические флуктуации энергопереноса разрастаются до макроскопических размеров, ограничиваемых

нелинейным механизмом. Кооперативное взаимодействие образовавшихся макроскопических неоднородностей (динамических неоднородностей) создает устойчивую систему самосопряженных элементов диссипативных структур.

В качестве регистрирующей среды используются вещество (2), граничащее с собственным расплавом (3), находящиеся в сосуде (1) (рис.3 а).

Однородный источник тепла "А" дает опорный поток, формирующий в сосуде градиент температуры dT/dy в направлении силы тяжести. Возникают динамические неоднородности в виде конвективных ячеек (4). Если на однородную матрицу потоков воздействовать информативным тепловым сигналом от источника "В", то строение потоков нарушится и в диссипативной среде произойдет перестройка, адекватная информационному воздействию. Возникают рельеф тепломассопереноса ab и рельеф поверхности изотермы плавления ab. Это кодовая запись образа ab и комплементарная форма ab. Можно тиражировать рельеф и обеспечить достаточно долговременную память образа ab. Восстановление образа можно производить по схеме с использованием опорного теплового источника "А" (рис.3б). Структура аb восстанавливается тем точнее, чем меньше доля неравновесности, которую вносит сигнал "В" в общую неравновесность системы.

Этот метод аналогичен методу волновой голографии прежде всего наличием опорной волны упорядоченности. Существенным отличием от голографии является восстановление не образа, а кода образа, использование явления самоорганизации в кодировании и восстановлении диссипативных систем.

На этом примере видно, что метод реализуется не путем формирования соответствующим образом волнового фронта, а вследствие кооперативного энергомассообмена в самоорганизующихся средах. Распознавание образов в этом случае происходит без обязательного процесса их восстановления.

Рис.3. Голография в самоорганизующихся средах.

а) - запись структурных кодов;

б) - ассоциативное восстановление кодов.

5. Заключение

Методы голографии, пригодные для устройств обработки и хранения больших информативных массивов являются весьма перспективными и в функциональной электронике, в которой используются динамические неоднородности различной физической природы.

Литература

1. Щука А.А. Процессоры и ЗУ в функциональной электронике. "Обзоры по электронной технике". - М.: ЦНИИ "Электроника", 1991.-сер.9 вып.1(1620) 40 с.: илл.

2. Федотов Я.А., Щука А.А. Альтернативы развития микроэлектроники: в книге Микроэлектроника и полупроводниковые приборы. - М.: Радио и связь, 1989, - вып. 10. с.22-41.: илл.

3. Гуляев Ю.В. Акустоэлектронные устройства для систем связи и обработки информации: В книге Проблемы современной радиотехники и электроники. - М.: Наука, 1980, - с. 297-319: илл.

4. Бондаренко В.С.,Громашевский В.Л., Кундзич А.Г., Свечников С.В., Соболев Б.В. Акустоэлектронные запоминающие устройства и их применение для обработки сложных радиосигналов. ЗЭТ.- М.: ЦНИИ "Электроника", 1984, - 7(278), с. 3-56: илл.

5. Мазуренко Ю.Т. Голография волновых пакетов: в книге Голография и ее применение. - Ленинград, Физико- технический институт им. А.Ф. Иоффе., - с.4-27.

6. Кальнин А.А., Лучинин В.В. Физические основы функциональной электроники на самоорганизующихся средах. Электронная промышленность. - М.: ЦНИИ "Электроника",1983, №8, - с.6-11.