Предмет электроника и схемы 2, содержание и методы

Рисунок 1.1 – Схема анализатора спектра с DMD-прибором:
1 – луч Не-Ne лазера; 2, 4 – цилиндрические линзы; 3– ячейка Брэгга; 5, 9 – сферические линзы; 6 – расщепитель луча; 7 – DMD-прибор; 8 – диафрагма; 10 – ПЗС-камера

В ячейке Брэгга ультразвук осуществляет модуляцию светового потока лазера. Ячейка выполнена на кристалле ниобата лития.

Центральная частота ячейки 1 ГГц, ширина полосы пропускания 500 МГц. Акустическая скорость сигнала в ячейке 6570 м/с.
Коллимированный луч Не-Ne лазера (λ = 630 мм) с круговым поперечным сечением фокусируется цилиндрической линзой 1 в центре ячейки Брэгга и снова преобразуется в луч с таким же поперечным сечением цилиндрической линзой 4. Световой луч, возникающий в результате дифракции на акустической волне, возбуждаемой анализируемым сигналом в ячейке Брэгга, фокусируется сферической линзой 5 на зеркальном элементе DMD-прибора, местоположение которого определяется частотой анализируемого сигнала.
DMD-модулятор (Deformable Mirror Device) содержит линейную матрицу из 1200 отклоняемых микроскопических зеркал, которые могут изменять направление падающих на них световых лучей или вводить в световую волну фазовую задержку. Изменение наклона отдельного зеркала может производиться электрическим или оптическим сигналом. Размер одного зеркального элемента 1313 мкм, расстояние между центрами элементов 25,4 мкм, угол отклонения – около 4,5°. В процессе изготовления прибора используется то же стандартное оборудование, что и для производства полупроводниковых приборов. Это позволяет объединить его со схемой адресации на одном кристалле. Фокусное расстояние линзы 5 составляет 175 мм.
DMD-прибор и оптические элементы расположены так, что они перехватывают свет, отраженный отклоненными зеркальными элементами, и блокируют свет, отраженный неотклоненными элементами. Световой луч, попадающий на сферическую линзу 9, проецируется на рабочую поверхность ПЗС-камеры 10, содержащей матрицу из 764*244 элементов разрешения.
Экспериментальные исследования макета анализатора спектра с DMD-прибором показали, что в нем возможно получение коэффициента контраста до 125:1 и динамический диапазон до 50 дБ.
Но вернемся к концептуальным вопросам. Человечество стоит перед задачей быстрой переработки больших объемов информации, особенно в области интеллектуальных исследований (ИИ).
Принцип работы современных компьютеров – алгоритмическая обработка символьных выражений, информации, представленной в двоичном виде. Т.о. компьютер – это логическая сеть, использующая в принципе только элементы «И, ИЛИ, НЕ». Ее реализацию в виде твердотельной электроники уже нельзя считать удовлетворительной.
Физические пределы в развитии приборов и устройств схемотехнической микроэлектроники достигнут своих критических значений в первом – втором десятилетии 21-го века.
К этому времени ожидается появление интегральных схем с топологическими нормами порядка 0,1 мкм, выполненных с помощью литографических установок неоптического экспонирования.
После достижения технологической зрелости будет достигнут физический предел значений степени интеграции и ожидается инерционное развитие рынков приборов схемотехнической микроэлектроники ещё в течение 5–10 лет. К этому времени быстродействие интегральных схем (ИС) будет уже недостаточным для решения задач обработки больших массивов информации по нескольким причинам.
Предельные показатели достижений микроэлектроники уже не смогут соответствовать набирающему силу научно-техническому прогрессу. Уже сейчас существует целый ряд задач, ждущих своего решения. Среди них – создание систем оперативного распознавания образов, искусственного интеллекта, синтеза конструкций и систем, разработка устройств параллельной обработки информации, устройств управления базой знаний и т.п.
Идут интенсивные поиски методов, разрабатываются устройства, предназначенные для обработки больших массивов информации в реальном масштабе времени. Анализ схем цифровой обработки изображений показывает, например, что рост их быстродействия приближается к насыщению. При этом ряд упомянутых задач принципиально не может быть решён в рамках современных методов обработки больших информационных массивов, в частности, фон-неймановской схемы построения вычислительных систем.
Даже достигнув предельных значений быстродействия и степени интеграции в изделиях схемотехнической микроэлектроники, нельзя будет на их основе создать устройства, способные решать перспективные задачи обработки больших информационных массивов.
В этом случае возникает альтернатива: или искать пути сохранения тенденции экспоненциального роста степени интеграции интегральных схем и тем самым расширить возможности схемотехнической микроэлектроники, или искать принципиально новый подход при создании систем обработки больших информационных массивов.
По мере того, как первый путь при приложении возрастающих усилий будет давать все меньшие результаты, второй становится все более перспективным. Кстати, этому способствуют и принципиальные моменты.
Очевидно, что традиционную компьютерную парадигму ИИ, при всех ее достоинствах, связанных в первую очередь с символьным представлением данных и с предположением о возможности формализации (получении достаточно эффективного алгоритма для ЭВМ) мыслительной деятельности, нельзя считать удовлетворительной по следующим основным причинам:
1. Некоторые виды интеллектуальной деятельности совсем или почти не поддаются алгоритмизации (творческие акты, озарения, интуитивные решения, экспертные оценки качества, узнавание и распознавание). Характерная особенность этих процессов – их невоспроизводимость и невербальность, иначе говоря, невозможность их объективировать, т.е. дать описание, с помощью которого процесс можно повторить, передать другому.
2. Известно, что сигнал в нервных сетях распространяется в миллионы раз медленнее (его скорость – порядка 100 м/с), чем в электронных схемах, однако качество результата и время его получения существенно лучше машинных. Это свидетельствует о гораздо более эффективной работе мозга по сравнению с любыми дискретными устройствами.
3 Мощность любого дискретного устройства имеет теоретический предел – предел Бремерманна, определяемого из физических законов (законов квантовой механики).
4. Доказано, что многие задачи, особенно творческого характера, решаются человеком благодаря так называемой функциональной асимметрии полушарий головного мозга. Согласно функциональной асимметрии полушарий мозга информационные процессы правого полушария (неалгоритмизуемые) имеют другую нейрофизиологическую природу, отличную от левополушарных, связанных с логико-алгоритмической составляющей нашего мышления.
Функциональная электроника начала развиваться сравнительно недавно и имеет огромные перспективы, обусловленные в частности параллельностью доступа и сверхвысоким быстродействием (10¹⁵ оп./сек).