Оптоэлектронные процессоры?

"С интересом просмотрел Ваш обзор "Процессоры - 2012 год = 10 нм? - Компьютера и не только..."
Обращаю Ваше внимание материалы могущие развернуть вектор освещения вопроса в сторону разработки схем цифровой оптотехники на примере моей работы - Проскурин Н.П. Микромощные оптоэлектронные логические элементы цифровых интегральных схем на твердотельных светоизлучающих и фотоэлектрических приборах: - Рукопись. Диссертация на соискание научной степени к.т.н специальность 05.27.01 - «Твердотельная электроника», ОНПУ,Одесса,2007.
Использовались известные технические решения оптоэлектронных схем, взятые из [Л.3], однако удалось найти и применить комплекс подходов в виде: особых режимов работы излучающих СД, схемных решений составных частей ОЛЭ и вариантов топологических решений, при которых на порядки повышаются быстродействие, повышается КПД излучения и снижается потребление оптоэлектронных схем типа ОЛЭ
Проскурин Н.П., к.т.н., доцент каф. КСС, Запорожского НТУ, Украина."

Прочитав это сообщение я попробовал найти в русскоязычном секторе Интернет информацию по работам в области оптоэлектронной логики  вычислительных структурах на их основе. Но, к сожалению, информации я не нашел. Кроме той на основе которой написана эта статья. Она обзорная, не вдается в тонкости технологий и призвана только осветить это направление для тех кто интересуется новыми решениями.

 

Современные процессоры содержат уже более миллиарда МОП транзисторов составляющих его сложную структуру из различных функциональных блоков, построенных на основе цифровой  интегральной логики, в свою очередь состоящих из элементарных логических элементов.

В схемах оптоэлектронных логических элементов (ОЛЭ) используется другой (чем  в ИС) тип носителя цифровых сигналов (электронейтральные фотоны) и среды передачи (в виде оптически прозрачной для фотонов). Оптоэлектронные схемы вентилей квазиимпульсно потенциального типа (КИПТ) имеют в своем составе оптические логические входы, которые соединены с фотоприемником имеющим от 1 до n входов, усилитель фототока и светодиод (СД), соединенный с оптическим логическим выходом. Эти схемы обрабатывают оптические цифровые сигналы без использования вентилей известных типов логики (ТТЛ/ТТЛШ, ЭCЛ , МОП, К-МОП, др.), содержащие в своей конструкции элементы оптопары (излучатель - фотоприемник) и имеют преимущества оптической связи: гальваническую развязку, широкую полосу пропускания, возможность передачи в оптическом канале несколько десятков потоков оптических цифровых сигналов. Но анализ схем оптических логических элементов (ОЛЭ)  и логических устройств (ОЛУ) на их основе показывает на возможность создавать схемы с использованием мало и микро мощных режимов начала линейной вольтамперной характеристики (ВАХ) СД. Это уменьшит потребление устройств и приблизит их к параметрам схем логических вентилей цифровых ИС.

В процессе проработки вопроса характеристики исследовались на макетах маломощных оптоэлектронных логических устройств типа «RS триггер», «кольцевой генератор импульсов» (КГИ) и проводилось моделирование электрических схем ОЛЭ и ОЛУ  на их основе.

Проведены исследование особенностей процессов мало- и микро мощных режимов СД оптопар на макетах, моделях устройств, расчет твердотельных элементов ОВЧ оптопары и моделирования на их базе мало- и микро мощных схем ОЛЭ, ОЛУ в начале ВАХ СД. Проведен анализ возможностей разработки конструкций мало- и микромощных ОЛЭ, ОЛУ (для приема, обработки, преобразования и коммутации потоков оптических цифровых сигналов)  указал на  возможность достижения параметров на уровне имеющихся электронных вентилей, однако с преимуществами оптического способа связи (см. таблица 1, МОЛЭ) и могут быть выполнены по современным интегральным технологиям.

 

Тип логики	Средние значения параметров логических элементов			Коэф. объединения по входу	Коэф. нагрузки по выходу
	P мВт	Время переключения нс	Работа переключения пДж
ТТЛ/ТТЛШ	20/1	5–20/2–10	50–100/10–20	2–5	10
ЭCЛ	20–50	0,5–2	20–50	2–5	10–20
І 2 Л	0,01–0,1	10–100	0,2–200	1	3–5
MOS	1–10	20–200	50–200	2–5	10–20
CMOS	0,01–0,1	10–50	0,5–5
BiCMOS	0,01–0,1	2–10	2–20	2–5	10–100
МП*	0,1–0,5	0,15–0,5	0,1–0,5	2–5	2–5
МОЛЭ**	0,15	0,5	0,075	2-4	1-4

* - структура металл -полупроводник (MESFET), выполненные на основе арсенид - галлиевых полевых транзисторов с затвором Шотки, представлены интегральными схемами 6500 серии.
** - МОЛЭ - микромощные оптоэлектронные логические элементы.

 

 

 

На рис. 1, а–г показаны схемы и ВАХ оптопары СД-ФТ. Для сравнения на рис. 1, д показаны выходные ВАХ оптопары СД-ФР. Преимуществом ВАХ (г) перед (д) является использование двух режимов: линейного участка и насыщения ФТр. В интегральной оптопаре ОВЧ диапазона чаще применяют раздельное фотопревращение (ФП – р-и-n ФД из частотой детектирования до нескольких ГГц) усилитель-формирователь: ВЧ транзистор (Тр) с коэффициентом усиления по току h ≥ 1,0…1,5  на частоте f_p), что совпадает со схемой рис. 1, б.

 

Передаточные параметры оптопар в режимах малых токов СД близки к линейным, а эквивалентные схемы СД - npn ФТ (рис. 1 а) и СД - ФД с ВЧ npn транзистор (рис. 1 б) идентичны. Анализ параметров оптопар, элементов оптоэлектронных приборов, показывает, что они могут быть использованы для создания микромощной оптоэлектронной элементной базы цифровых устройств ОВЧ (30МГц…300МГц), УВЧ (0,3ГГц…3,0ГГц) диапазонов частот и преодоления части ограничений, свойственных современным ИС. Используя достаточно широко известные оптопары 3ОД120А-1 в составе СД – p-i-n ФД (t_{задержки} ~30нс), могут быть промоделированы/макетированы дискретные схемы ОЛЭ c достаточно малыми размерами, высоким быстродействием – от десятков нс.

 

Принцип построения логических элементов на оптоэлектронных элементах показан на рис. 2.

 

Реализация оптоэлектронных схем входной логики для функций: nвходовой ИЛИ -НЕ (а), nвходовой И - НЕ (б); схем включения СД на выходе (в, г); типа: в- оптоэлектронный  инвертор (ОИ), г-повторитель;  двухвходовые схемы ОЛЭ: «стрелка Пирса» 2 ИЛИ-НЕ (д), и исключающее ИЛИ (е)

 

Практическая реализация прибора с использованием оптикоэлектронной логики показана на рис.3

 

 

Реализация оптических межблочных связей на основе пристроил типу волоконно-оптическая пластина (ВОП)
а) - конструкция в сборе, б) - волоконнооптическая пластина, 1 - плата, 2 - волоконнооптическая пластина из оптического волокна, 3 - блок излучателей, 4 - блок фотоприемников, 5 - токопроводящие дорожки, 6 - оптические связи, 7 - чип, 8 - окна, I - вид сверху на участок оптоволоконной пластины

 

Результаты исследований

- Исследованы и доказано (на макетах и моделях схем оптических логических элементов КИПТ типа «RS триггер», «кольцевой генератор импульсов») возможности снижение токов дискретных оптопар производства СНГ в 10 ... 40 раз использованием перевода светодиодов на начало линейной ВАХ, что позволяет уменьшить потребление и дает возможность расширить их техническое применение;
- Впервые рассчитано и исследованы модели микромощных оптопар ОВЧ диапазона и установлена возможность использования мало и микромощных режимов переключения ее светодиодов в режиме «малого сигнала», что позволяет получить новые сведения о средствах их модуляции и дает возможность расширить ее частотный диапазон;
- Усовершенствованы элементы микромощных оптопар ОВЧ диапазона в виде: светодиода с повышенным КПД излучения и фотоприемника в составе pin фотодиода, который интегрирован в базу ВЧ npn транзистора, позволяет повысить ее частотные характеристики и расширить представления об их конструкции и дает возможность использовать их для цифровой ИС с оптическими связями;
- Получило дальнейшего развития разработка модели адаптивной многовходовой микромощной оптоэлектронной схемы логики или-не, позволяет получить новые сведения о процессах ее переключения и позволяет достичь ей параметров вентилей известных типов логики;

 

Результаты исследования подтвердили положение о возможности замены сущесттвующих электронных схем оптоэлектронными (Табл.1 параметры МОЛЭ), при этом связи между каскадами схем ОЛУ исключительно оптические (см. рис.1-4).

1.Моделирование маломощных режимов схемы ОЛЭ "n или-не" на модели оптопары К249КП1С при  токах СД в 10 раз ниже номинальных (I_{СД макс.} ~ 1,37 мА) обеспечивает частоту переключения в схеме «КГИ» равную ~8кГц.

2.Моделирование ВЧ оптопары К249КП1С с виртуальными параметрами (ВП, опыт 4)  в микромощных режимах (снижен значения емкостей СД, ФТР. в 100 и сопротивления в 10 раз, повышен  коэффициент передачи по току К до 2,12)  при токе I_{СД макс.} ~ 183мкА определяет время задержки переключения t_з ~ 21нс; при этом частота  схемы  «КГИ»  возрастает до f_Р ~ 8МГц, а Р_макс. снижается до 275мкВт/ОИ.

3.Результаты моделирования схемы ОЛУ типа «КГИ» на трех ОИ (1-3) на модели предложенной, рассчитанной  и промоделированной ОВЧ оптопары в микромощных режимах ОЛЭ в схеме  «КГИ»  при  К ~ 2,25 показали следующие результаты: I_{СД1 макс.} ~ 0,115мА; f_Р ~0, 333ГГц; τ_С ~ 0,5нс, Р_{Спож.ОЛЭ}~ 150мкВт/ОИ.
Рис.4  иллюстрирует процесс самогенерации схемы «КГИ» с момента (t = 0нс) подачи  напряжения питания схемы Uп ~ 1,3В до формирования устойчивого колебательного процесса на всех трех ОИ. По оси ОУ графика введен масштаб в процентах (0...100%) для удобства соотношения значений токов.

 

Рисунок 4. Результаты моделирования схемы ОЛУ типа «КГИ» на трех ОИ (1-3) на модели  ОВЧ оптопары в микромощных режимах ОЛЭ в схеме  «КГИ» .

 

Обращаем Ваше внимание на то, что схемами оптоэлектронной логики занимались в СССР ряд научных школ и в частности школа  д.т.н., проф. Кожемяко В.П., Винницкий НТУ, Украина: (см.:  Функциональные элементы и устройства оптоэлектроники / В.П.Кожемяко, Л.И. Тимченко, Г.Л. Лысенко, Ю.Ф. Кутаев. -К.: УМК ВО, 1990.-251с.). В работе использовались известные технические решения оптоэлектронных схем логики, взятые из этой книги, однако удалось найти и применить комплекс подходов для достижения результата (см. Табл.1) в виде существенного повышения частоты f_р. до 0,333ГГц при снижении мощности потребления до 120…150 мкВт/ОИ  на основе применения:

1. Особых режимов работы излучающих СД;

2.Схемотехнических решений составных частей ОЛЭ;

3. Вариантов структур оптопары СД и p-i-n ФД с ВЧ  npn транзистором, их топологических решений и приемов для формирования указанной ОВЧ оптопары (при  которых достигнуто указанные параметры быстродействия,  КПД излучения и снижено потребление  схем ОЛЭ).

 

Заключение

Возможность работы светодиодов оптических логических элементах на начальном участке ВА характеристики в режиме малых и микро токов, новые схемные решения и топологии позволяет на порядок повысить быстродействие и КПД и снизить потребление оптоэлектронных логических элементов.

 

При дальнейшей минимизации размеров возможен выход по характеристикам на уровень наиболее быстродействующих и экономичных типов современной цифровой логики. Дальнейшее повышение частоты переключения предложенных схем  микромощных ОЛЭ и цифровых вычислительных устройств (типа ИС с оптическими связями, рис. 3) до частот порядка 1ГГц (УВЧ) возможно при уменьшении размеров разработанных элементов ОВЧ оптопары (примерно в 1,5 ... 2 раза) и применении высоко-легированных полупроводников для СД и ФП.  Это подтверждено дальнейшими исследованиями, проведенными в 2010-2012гг в Запорожском НТУ, Украина.

 

К сожалению, пока все это не имеет реального широкого применения, а полупроводниковые технологии  производителей процессоров неуклонно идут вперед. Правда и то, что динамика этого  движения замедляется, т.к. возникает все больше и больше проблем (закон Мура постепенно перестает выполняться). Это позволяет думать, что оптоэлектронная логика заставит обратить на себя внимание, т.к. отдельные попытки применения оптических связей и схем формирования, детектирования оптических сигналов уже встречаются, особенно в системах ВОСС, ВОЛС и УВЧ/СВЧ системах межпроцессорных оптических связей.  

 

Литература:

1. Радіоелектроніка Інформатика Управління, 2(25)’2011, Запоріжжя, ЗНТУ, ОБҐРУНТУВАННЯ НЕОБХІДНОСТІ ПЕРЕХОДУ ДО МІКРОПОТУЖНИХ ТВЕРДОТІЛЬНИХ ІНТЕГРАЛЬНИХ СХЕМ З ОПТОЕЛЕКТРОННИМИ КОМПОНЕНТАМИ ДЛЯ ЦИФРОВИХ АВТОМАТІВ ТА ОБЧИСЛЮВАЛЬНИХ ПРИСТРОЇВ, Проскурін М. П. 1 , Костенко В. Л., Щекотихін О. В. 1 , Грушко С. С

2. Проскурин Н. П., МІКРОПОТУЖНІ ОПТОЕЛЕКТРОННІ ЛОГІЧНІ ЕЛЕМЕНТИ ЦИФРОВИХ ІНТЕГРАЛЬНИХ СХЕМ НА ТВЕРДОТІЛЬНИХ  СВІТЛОВИПРОМІНЮЮЧИХ І ФОТОЕЛЕКТРИЧНИХ ПРИЛАДАХ, дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук, Одеса - 2007

3. Функциональные элементы и устройства оптоэлектроники / В.П.Кожемяко, Л.И. Тимченко, Г.Л. Лысенко, Ю.Ф. Кутаев. -К.: УМК ВО, 1990.-251с

4. Можно почитать на эту тему - Моделирование оптоэлектронного инвертора на модели микромощной оптопары УВЧ диапазона для оптических интерфейсов цифровых автоматов. Н.П. Проскурин, С.С. Грушко, Запорожский национальный технический университет, Запорожье

Подготовил А.Сорокин,

отредактировал к.т.н. Проскурин Н.П.
2013 г.