МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2014, том 43, № 1, с. 66-77
- СХЕМОТЕХНИКА
УДК 621.382
МИКРО-СИСТЕМОТЕХНИКА И ЦИФРОВАЯ ГОЛОГРАФИЧЕСКАЯ ФЛЭШ-ПАМЯТЬ © 2014 г. В. А. Жуков
Санкт-Петербургский институт информатики и автоматизации Российской АН E-mail: valery.zhukov2@gmail.com Поступила в редакцию 18.04.2013 г.
Предложена модель активной регистрирующей и восстанавливающей сигнал (двумерный массив чисел) распределенной вычислительной среды. Эта среда представляет собой 3D интегральную схему, основанную на электронной наноэлементной базе, в которой при ее функционировании используются принципы оптической голографии, но распространяется не световой, а электрический цифровой сигнал. Сформулированы требования к структуре и свойствам этой среды, а также ее элементам и способам их соединения, для последующего более подробного изучения информационной емкости и быстродействия такой вычислительной среды. Предложенная среда, в отличие от го-лографических оптических дисков, сможет выполнять роль не только внешнего ROM (Read Only Memory), но и быстродействующей флэш-памяти с емкостью порядка 200 ГБ и со скоростью ввода-вывода информации до 106 ГБ/с для рабочего объема 1 см3. Такая среда, в силу присущих ей ассоциативных свойств оптической голографической памяти, помимо функции флэш-памяти могла бы также выполнять некоторые функции оптических голограмм, такие как распознавание образов, но в силу другой элементной базы была бы более надежной и помехоустойчивой.
DOI: 10.7868/S0544126914010104
1. ВВЕДЕНИЕ
Как известно [1], у "Международной Технологической Карты для Полупроводников" (ITRS), существует условная граница, обусловленная атомарной структурой вещества, при приближении к которой "закон Мура" нарушается. Поэтому предполагается заранее частично или полностью переходить от планарной к 3D интегральной технологии для чипов. Попытки освоить этот рубеж уже начались и прежде всего в технологии флэш-памяти. Уже разработаны устройства, которые имеют до 8 идентичных слоев элементарных энер-го-независимых ячеек флэш-памяти [1] с последовательным доступом к каждой ячейке. С другой стороны в области создания внешних оптических ROM (Read Only Memory) делаются попытки создания сверхбыстрых устройств, использующих для ускорения процесса считывания информации параллелизм оптической голографии.
В прошлом десятилетии были анонсированы очень перспективные на первый взгляд разработки многослойных голографических компакт-дисков, работающих в качестве ROM с объемом памяти ~ до 1 ТБ, так называемые HVD (Holographic Versatile Disk) [2]. Информационная емкость таких дисков оценивается по приближенной формуле: N = V/ X3 , где N — число записанных битов, V — объем записывающего фоточувствительного слоя, X — длина волны используемого лазера. Как
видно из формулы, при X = 0.5 мкм, V = 1 см3, получим N ~ 1013 бит или N ~ 1012 байт, т.е. 1 ТБ.
Благодаря относительно широким записывающему и считывающему пучкам света с площадью сечения ~ 1 см2 каждый, запись и считывание информации должны осуществляться практически параллельно (листами памяти). Причем, согласно теоретической оценке, считывание информации могло бы производиться со скоростью до 1 ГБ/с. Такая скорость в настоящее время недоступна для иных существующих сменных носителей информации.
Следует отметить, что голографический параллелизм, т.е. использование принципов оптической голографии при записи влечет за собой дублирование исходной информации. При этом снижается примерно на порядок эффективная информационная емкость, но одновременно увеличивается надежность и помехоустойчивость записи.
Таким образом, оптические голографические диски могли бы представлять собой значительный шаг в развитии внешних ROM современных компьютеров.
По ряду причин технологического характера не удалось наладить серийное производство таких дисков и фирма- разработчик обанкротилась [3].
Мы предлагаем решение проблемы на другой технологической базе:
X(p)
Y(q)
Рис. 1. Кубический объем, заполненный 3D цифровой голографической сетью.
1) воспользоваться тем обстоятельством, что в настоящее время размер нанотранзисторов при литографической технологии "32 нм" [1] стал меньше, чем размер зерна фотоэмульсии на фотопластинках, на которых записывали первые объемные голограммы. Разрешение на этих фотопластинках составляло 2000 линий на 1 мм или 500 нм, что приблизительно в 5 раз превышало размер зерна их фотоэмульсии, т.е. ~ 100 нм [4];
2) вместо ROM организовать флэш-память, используя активную регистрирующую и восстанавливающую цифровой сигнал (матрицу чисел) среду, основанную на наноэлементной электронной базе, в которой при ее функционировании также используются принципы оптической голографии, но распространяется не световой, а электрический цифровой сигнал. Такая среда, в силу присущих ей ассоциативных свойств оптической голографиче-ской памяти, помимо функции флэш-памяти могла бы также выполнять некоторые функции оптических голограмм, такие как распознавание образов [4], но в силу иной элементной базы была бы более надежной и быстродействующей.
Таким образом, целью данной работы является формулировка требований к структуре и свойствам цифровой вычислительной среды, симулирующей оптическую голографию, а также к элементам этой среды и способам их соединения, для последующего изучения информационной емкости и быстро-
действия устройств флэш-памяти, созданных на основе такой вычислительной среды.
2. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Пусть наша вычислительная среда представляет собой кубическую решетку (сетку), в узлах которой размещены микропроцессоры, состоящие из нанотранзисторов, см. рис. 1. В этой сети, между ее узлами распространяется возмущение (электрический цифровой сигнал) или "волна" U. Сформулируем основные требования к этой сети.
2.1. Условия выполнения в вычислительной среде принципов оптической голографии
Достаточными условиями для осуществления голографической записи и восстановления сигнальной волны Ц. являются следующие условия (см. [4-6]).
А) Запись голограммы в этой среде осуществляется так же, как и в оптической голографии, при суммировании в записывающей среде двух "цифровых волн": опорной ик и сигнальной Ц, Воспроизведение записанной сигнальной волны Ц. производится при направлении только одной опорной волны ик на записанную объемную "картинку".
Б) Квадратичное детектирование суммарной волны в каждой точке (в нашем случае в каждом
узле сетки), т.е. фиксирование при записи голограммы величины интенсивности I, пропорциональной квадрату модуля суммы опорной и сигнальной волны:
I ~ \UR + Us\2 = \Ur|2 + Ur • U* + U* • Us + \US\2. (1)
В) Модулирование либо локального "коэффициента пропускания", либо "коэффициента преломления" среды при прохождении через нее восстанавливающей опорной волны UR величиной, пропорциональной интенсивности записанного сигнала I. По этому признаку оптические голограммы, как и объекты отображения в классической инструментальной оптике [4—6], делятся на два класса: амплитудные, изменяющие амплитудный коэффициент пропускания света, и фазовые, изменяющие его фазу за счет изменения показателя преломления. Как известно из литературы [4, 6], наибольшей дифракционной эффективностью (отношением интенсивности восстановленной волны к интенсивности опорной волны) обладают фазовые голограммы. По этой причине мы в нашей модели голографической среды будем использовать принцип записи за счет изменения
где Ду — эффективное расстояние между узлами сетки, крдг = 2п/Хрдг — волновое число, Xрдг — локальное значение длины волны в данном узле сетки, причем на стадии записи голограммы X =Х 0 = сош! Заметим также, что величины Ду и X , при решении сеточного уравнения Гельмгольца в физике, имеют размерность длины. В нашем случае они отнесены уже не к физическому, а к некоторому виртуальному пространству (см. рис. 1 и 2). В рамках данной задачи, по этой причине можно было бы вместо двух независимых параметров Ду и X р, ввести в рассмотрение один безразмерный параметр Дя • кр, ,г = фр, г , имеющий, как и в оптике [5], смысл локальной фазы волны в данном узле сетки. Но мы пока оставим в рассмотрении оба параметра Ду и X рдг, чтобы более полно воспользоваться имеющимися оптическими аналогиями. Из уравнения (4) вытекает, что для устойчивости решения должно выполняться условие: 2 2
(6 - Д крлг) > 0, что равносильно условию
"показателя преломления" в данном узле сетки, что эквивалентно изменению в среде эффективной длины волны X (например, ее уменьшению в голограммах на фотоэмульсиях, в местах, где происходит локальное увеличение показателя преломления после засветки — записи и проявления голограммы).
Г) Выполнение в среде принципа Гюйгенса, которое обеспечивается в 3 = х мерной среде в стационарном скалярном приближении распространением амплитуды волны в соответствии с уравнением Гельмгольца [4—6]
Аи + к 2и = 0, (2)
где и — значение сигнала (амплитуды волны) в узлах сетки, к = 2п/Х — волновое число, X — длина волны. Перейдем теперь к дискретному пространству, см. рис. 1 и 2. В узле дискретной кубической сетки с номером (р, q, г) входящий в уравнение (2) и примененный к функции и оператор
Лапласа Д = д2/дх2 + 5 2/ ду2 + 5 V 2 , выраженный в конечных разностях, будет иметь следующий вид (см. [7]):
(3)
(4)
X > Дя2п16 ~ 2.45Дст. С другой стороны, по аналогии с соотношением между размером зерна фотоэмульсии и длиной волны света в оптической голографии [4], здесь должно выполняться более сильное условие X > 5Д$.
2.2. Фазовая голограмма как вид записи с наибольшей дифракционной эффективностью
Как было указано выше, в случае фазовой голограммы после экспозиции меняются локальные значения показателя преломления в точках записывающей среды. Аналогично, в нашем дискретном случае будут меняться значения эффективного показателя преломления в узлах сетки: п = = п0 + Ьп , и, соответственно, локальные значения длины волны X р , д , г = X 0/Пр, д, г = X „/(П) + ДПр, д, г). Здесь п0 — некоторое исходное значение показателя преломления. Продолжая аналогию дальше, учтем, что происходящие вследствие экспозиции максимальные локальны
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.