Разработка и исследование элементов систем управления на основе электронно-лучевой оптики тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.05, кандидат технических наук Фатьянова, Наталья Георгиевна

• Фатьянова, Наталья Георгиевна
• кандидат технических наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат технических наук Фатьянова, Наталья Георгиевна

Введение.

Глава 1. Анализ современного состояния электронной техники и постановка задачи создания микропроцессоров на новых принципах действия.

1.1. Миниатюризация элементов электронной техники.

1.2. Оптические процессоры.

1.2.1. Аналоговые оптические процессоры.

1.2.2. Цифровые оптические процессоры.

1.2.3. Оптические процессоры нечёткой логики.

1.3. Миниатюризация элементов вакуумной электронной техники.

1.4. Постановка задачи создания микропроцессоров на базе новых принципов функционирования элементов компьютерной электронной оптики.

1.5. Выводы к главе 1.

Глава 2. Структурный синтез быстродействующего электронно-лучевого вычислителя (ЭЛВ).

2.1. Поиск физического принципа действия электронно-лучевого вычислителя.

2.1.1. Классификация электронно-лучевых элементов вычислительной техники.

2.1.2. Методика выбора вида ТО для проектирования нового класса вычислителей на базе вычислительной электронной оптики.

2.1.3. Выбор физического принципа действия электронно-лучевого вычислителя.

2.2. Эволюционный синтез структурно - конструктивных схем ЭЛВ.

2.2.1. Выбор прототипа электронно-лучевого вычислителя.

2.2.2. Методика выбора структурно - конструктивной схемы ЭЛВ.

2.3. Выбор вида и структурно - конструктивной схемы управляемого транспаранта.

2.4. Выводы к главе 2.

Глава 3. Анализ принципов обработки информации компьютерной электронно-лучевой оптикой.

3.1. Основные особенности электронно-лучевого вычислителя.

3.2. Аналоговые электронно-лучевые вычисления.

3.3. Формирование пространственных Фурье-спектрограмм рассеивающим объектом (электронно-лучевым транспарантом).

3.3.1. Дифракция на одномерных структурах электронно-лучевого транспаранта.

3.3.2. Дифракция на двумерных структурах электронно-лучевого транспаранта.

3.3.3. Дифракционные явления на трёхмерных структурах электронно-лучевого транспаранта.

3.4. Теория дифракционного гало рассеивающего объекта.

3.5. Формирование двумерных интерференционных картин с помощью трёхмерной дифракционной структуры транспаранта.

3.6. Анализ получения информации об изображении объекта в ЭЛВ без учёта изменения фазы поля.

3.7. Амплитудно-дифракционное Фурье-преобразование.

3.8. Базисные логические функции ЭЛВ.

3.9. Распознавание зашумлённых изображений.

3.9.1. Математические модели распознавания образов.

3.9.2. Физические модели распознавания образов.

3.10. Выводы к главе 3.

Глава 4. Моделирование и разработка функциональных элементов ВТ на основе компьютерной электронно-лучевой оптики.

4.1. Моделирование электростатических электронно-лучевых модулей ВТ.

4.2. Моделирование не традиционных магнитных электронно-лучевых модулей ВТ.

4.3. Расчёт полевых геометрических аберраций третьего порядка компьютерной оптики - ЭЛМ ВТ.

4.4. Численное моделирование влияния конфигурации магнитопровода магнитных ЭЛМ ВТ на их характеристики.

4.5. Технология изготовления не традиционных магнитных электронно-лучевых модулей ВТ.

4.6. Моделирование не традиционных конфокальных электронно-лучевых модулей ВТ с совмещёнными полями.

4.7. Моделирование осветителя ЭЛВ.

4.8. Выводы к главе 4.

Глава 5. Разработка и испытание элементов ВТ на основе компьютерной электронно-лучевой оптики.

5.1. Этапы конструирования функциональных элементов электронно-лучевого вычислителя

5.2. Структурно-конструктивные особенности и свойства осветителя ЭЛВ.

5.2.1. Монохроматичность и когерентность электронного пучка ЭЛВ.

5.2.2. Структурно-конструктивные особенности осветителя.

5.3. Анализ показателя информативности (£„) функциональных элементов ЭЛВ.

5.4. Метод и алгоритм конструктивного выбора типа "рабочих" электронных линз - процессоров.

5.5. Метод и алгоритм конструктивного выбора типа транспаранта.

5.6. Влияние функциональных элементов на оптимизацию масса-габаритных показателей миниатюрной электронно-лучевой компьютерной оптики.

5.7. Синтез математической модели функционирования возможной структурно-конструктивной 2-х линзовой схемы ЭЛВ.

5.8. Синтез возможной структурно-конструктивной 3-х линзовой схемы ЭЛВ.

5.9. Микропроцессорная система на базе электронно

-лучевых модулей ВТ.

5.10. Методика экспериментальных исследований.

5.11. Выводы к главе 5.

Полученные результаты и выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование элементов систем управления на основе электронно-лучевой оптики»

Разработка автоматизированных систем быстрой обработки изображений и распознавания образов движущихся объектов является одной из главных задач транспортной электроники. Развитие науки и техники идёт по пути быстрого и постоянно увеличивающегося роста потока информации, подлежащего переработке и использованию, особенно для движущихся объектов. Непрерывное развитие устройств вычислительной техники и систем управления на её основе обуславливает совершенствование не только алгоритмов и моделей для расчёта элементной базы, но и разработку и исследование новых элементов электронной техники. Наряду с улучшением функциональных показателей качества одной из основных тенденций развития вычислительной техники является миниатюризация, как её элементов, так и оборудования для её производства. Уменьшение размеров элементов микросхем, а также переход на квантовую компьютерную электронно-лучевую оптику, используемую в качестве микропроцессоров, что позволяет осуществить кардинальное повышение быстродействия, расширение вычислительных возможностей, снижение затрат на производство и расширение сферы применения, в частности для опознания образов и автономной навигации. Снижение массогабаритных характеристик и повышение производительности дорогостоящего и уникального оборудования позволяет осуществить его кардинальное удешевление и расширение сферы применения.

Компьютерной электронно-лучевую оптикой называют раздел физики, занимающийся изучением явлений, в которых проявляются квантовые свойства частиц. К таким явлениям относятся: фотоэффект, эффект Комптона, фотохимические процессы, фотонная оптика, электронно-лучевая оптика. Квантовая электронно-лучевая оптика является более общей теорией, чем классическая оптика. Основная проблема, затрагиваемая квантовой электронно-лучевой оптикой, заключается в описании взаимодействия потоков электронов с электромагнитными полями.

В последние два десятилетия в электронной оптике созданы неклассические источники электронов, представляющие значительный интерес для получения и обработки информации. К настоящему времени получены источники с уменьшенными флуктуациями числа электронов (потоки электронов с субпуассоновской статистикой), с уменьшенными флуктуациями разброса энергии электронов, поляризованных электронов (замагниченных электронов), охлаждённых электронов. Использование среды с нелинейной восприимчивостью третьего порядка имеет ряд преимуществ в квантовой электронно-лучевой оптике, таких как: возможность осуществления квантовых неразрушающих измерений и исследований материалов и микроструктур, реализация вычислительной электронно-лучевой оптики, для обработки информации и т.п. Разнообразие применений электронно-лучевого потока электронов, по-прежнему, делает актуальной задачу разработки методов их изучения.

Интерес к неклассическим источникам электронов в настоящее время стимулируется также физическими экспериментами и активным развитием квантовой криптографии, квантовой телепортации и квантовых вычислений.

В настоящее время ряд компаний и научных центров, как за рубежом, так и у нас в стране, ведут исследование и разработку миниатюрных электронно-лучевых устройств, для безмасочной электронно-лучевой технологии с использованием многопучкового оборудования электронной литографии, электронных микроскопов и других приборов и устройств. Наряду с этими работами у нас в стране под руководством профессора Б.Н. Васичева впервые в мире ведётся разработка научных основ создания, исследование общих свойств и принципов функционирования элементов, схем и устройств вакуумной вычислительной техники и систем управления на совершенно новых принципах - интерференции свободных пучков электронов в вакууме и нелинейных процессов в вакууме под воздействием электронных пучков.

Вакуумные электронно-лучевые вычислители в отличие от твёрдотельных компьютеров и квантового (фотонного) вычислителя обладают более высокой (на три - пять порядков) скоростью вычислений, что позволяет их использовать в экстремальных условиях, например, в автономной навигации, при обнаружении и распознавания объектов, угрожающих жизнедеятельности движущихся объектов, повышении тактико-технических характеристик высокоприцельного оружия и т.д. Значительный прогресс в создании и развитии матричных фотоприёмников (матричных мультиплексоров) и микросистем электронно-лучевой техники позволяет приступить к созданию новых быстродействующих систем обработки и управления информацией.

Электронные пучки, распространяясь в вакууме, позволяют кодировать информацию в широком частотном диапазоне. Лёгкость управления электронными пучками и элементами компьютерной электронной оптики (электронными линзами) со значительной их миниатюризацией сделали перспективным это направление вакуумной электроники, микросистемной электронно-лучевой техники, электронно-лучевой компьютерной техники [13] и позволил приступить к созданию новых быстродействующих систем обработки информации, в которых реализуется принцип обработки информации электронными пучками в вакууме.

Естественный переход микроэлектроники к наноэлектронике обусловлен желанием повышения быстродействия и миниатюризации вычислительной техники. Однако использование не наноэлементов твёрдотельной электроники, а корпускул (свободных электронов в вакууме) позволяет значительно превзойти ожидаемые возможности наноэлектроники. Одним из таких применений корпускул и является создание вакуумных корпускулярных вычислителей. Это уже субнаноэлектроника. Известно, что для обычного полупроводникового компьютера, например, использующего быстрый алгоритм Кули-Тьюки, длительность Фурье-преобразования растет с ростом точек дискретизации п и пропорционально п\офг). В вакуумном корпускулярном компьютере эта процедура даже в двумерном случае выполняется всего за один машинный такт современного компьютера.

Потоки свободных электронов (корпускул) в вакууме как носители информации чрезвычайно богаты возможностями: они могут иметь переменную во времени частоту (длину волны электронов) и интенсивность, изменяемый характер поляризации, изменяемую амплитуду и фазу волнового процесса. Электронные пучки, распространяясь в вакуумном пространстве, позволяют кодировать информацию изменением длины волны, поляризации, амплитуды и фазы не только во времени, но и в пространстве. Лёгкость управления электронными пучками и элементами электронной оптики со значительной миниатюризацией делают перспективным это направление вакуумной техники. Массовое производство такого рода устройств по своему революционному подходу и технике исполнения сравнимо с изготовлением и применением интегральных микросхем.

Актуальность темы

Твердотельные электронные технологии, используемые для производства кремниевых элементов вычислительной техники (процессоров), приближаются к теоретическому пределу своих возможностей. Эти фундаментальные ограничения определяются прежде всего квантово-механическими эффектами при уменьшении размеров транзисторов, ростом рассеиваемой мощности, связанный со всё более быстрыми переключениями полупроводниковых вентилей, а также физическими пределами скорости распространения электрического сигнала по чипу. Современные технологии разработки новых интегральных микросхем замедляются. Одновременно развитие науки и техники идёт по пути быстрого и постоянно увеличивающегося роста потока информации, подлежащего переработке и использованию.

Одним из направлений решения этой проблемы является создание и развитие теории и проектирования принципиально новых элементов вычислительной техники - электронно-лучевых процессоров, основанных на новых принципах построения логики. Создание базы знаний по электроннолучевым процессорам невозможно без создания алгоритмов и моделей расчёта, соответствующей системы проектирования, базирующихся на достижениях совершенствования и развития миниатюризации элементов вакуумной электроники.

Развитие авиационной техники, ракетостроения и космических аппаратов, а также наземного транспорта, связано с созданием надежных систем навигации, включающей в себя способность ориентации в пространстве, идентификации объектов, определения координат и положение собственных осей в пространстве. Системы навигации должны отвечать требованиям большого быстродействия, обладать способностью обрабатывать большие массивы информации, обеспечивать надежность работы при больших перегрузках, быть устойчивыми при прохождении областей с большими интенсивностями ионизирующих излучений. Этим требованиям удовлетворяют системы вакуумной электроники, состоящие из вакуума, электродов и электронных пучков.

Развитие микросистемной электронно-лучевой техники позволило приступить к разработке систем навигации на базе компьютерной оптики (электронно-лучевой оптики). Она позволяет осуществлять обработку и преобразование информации со скоростью недоступной полупроводниковым вычислителям и фотонным. Электронно-лучевые вычислители позволяет их использовать в экстремальных условиях, например, при обнаружении и опознания образов, угрожающих жизнедеятельности движущихся объектов, повышении тактико-технических характеристик высокоприцельного оружия и т.д. Это делает исследование теории и проектирования электронно-лучевых процессоров на стадиях их предварительной разработки задачей актуальной и своевременной.

Цель работы

Целью диссертации является разработка научных основ проектирования, алгоритмов и моделей для исследования общих свойств и принципов функционирования новых элементов вычислительной техники -компьютерной электронно-лучевой оптики, для системы распознавания образов и автономной навигации мобильной техники, а также поиска технологических решений этого процесса с последующим созданием технических решений устройства электронно-лучевых компьютеров. В целом, всё это должно привести к оптимизации процесса разработки электронно-лучевых компьютеров в промышленных масштабах с тем, чтобы получаемые изделия отвечали растущим требованиям увеличения скорости обработки больших объёмов информации, предъявляемым к электронной технике.

Основными методами исследования в работе являются положения теории систем, теории оптимального управления, теории принятия решений, теории математической статистики, теории решения дифференциальных уравнений и последовательного анализа уже известных процессов формирования структурно-конструктивных элементов ЭЛВ. Результаты, представленные в диссертационном исследовании, также были получены с использованием современных методов программирования и компьютерного моделирования. Общей методологической основой всех исследований является системный подход.

Достоверность проведённых теоретических и прикладных исследований обеспечивается строгим математическим обоснованием предлагаемых подходов и методов, а также согласованностью теоретических и прикладных данных полученных автором с известными в представленными в литературе.

Научная новизна обусловлена:

1. Разработкой алгоритма выбора структурно-конструктивных элементов электронно-лучевого процессора электронной техники, на базе управляемых электронно-лучевых транспарантов;

2. Выявлением способности электронно-лучевой компьютерной оптики осуществлять как элементарные математические операции (сложение, умножение), так и операции различной сложности (интегральное преобразование Фурье, перемножение матриц большого объёма информации) за один машинный такт;

3. Выявлением способности электронно-лучевого процессора обеспечивать не только математические вычисления большой сложности, но и оперативно (за один машинный такт) осуществлять распознавание образов;

4. Предложением нового метода и алгоритма решения задачи умножения матрицы на векторы с применением изотропной развёртки потока электронов, несущих информацию о векторах в электронно-лучевом процессоре;

5. Выявлением закономерностей формирования дифракционного гало, получаемого при численном дифракционном преобразовании цифровой информации либо при натуральном дифракционном преобразовании аналоговой Фурье-спектрограммы, впервые применяемых в электронно-лучевым процессоре;

6. Выявлением закономерностей и разработкой метода формирования двухмерных интерференционных картин, используя трёхмерные структуры из электронных микролинз транспаранта в электроннолучевом компьютере, которая обладает возможностью изменения амплитуды, частоты, длины волны и конфигурации интерференционной картины электромагнитного излучения за счёт изменения потенциалов на электродах микролинз;

7. Разработкой алгоритма управления процессом инвертирования и масштабирования изображения объекта за счёт изменения оптической силы электронных линз путём изменения напряжения или тока возбуждения.

8. Выявлением возможности использования третьего измерения для ввода/вывода объёмной информации, что создает дополнительные возможности электронно-лучевым вычислителям, которым у проводниковых схем нет никаких аналогов.

Практическая ценность состоит в том, что разработана база знаний электронно-лучевых вычислителей, являющаяся основой системы поддержки принятия рациональных решений при их проектировании, основанных на элементах компьютерной оптики, на стадиях их предварительной разработки. Предложен метод снижения массогабаритных показателей в рабочем состоянии электронно-лучевых вычислителей, выполнен синтез технических решений этих устройств.

Реализация и внедрение результатов работы.

Теоретические и практические результаты диссертационной работы используются в практике системного конструирования для производства приборов фото- и микроэлектронной техники в Государственном научном центре ФГУП "НПО "Орион", в НИИ микроэлектроники и информационно-измерительной техники, в НИИ перспективных материалов и технологий РАН, а также в учебном процессе Московского государственного института Электроники и математики на кафедре "Технологические системы электроники" при чтении лекций по курсам "САПР оборудования и технологий", "Моделирование рабочих процессов, технологий и оборудования", "Основы принятия технических решений", в учебном процессе Московского государственного института радиотехники, электроники и автоматики на кафедре № 134 "ИК-техники и электронной оптики" при чтении лекций по курсам "Основы электронно- и ионно-лучевых приборов и устройств", "Электронная оптика", в учебном процессе Российского экономического университета им. Г.В. Плеханова на кафедре "технологических инноваций" при чтении лекций по курсу "Инноватика".

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: Всероссийских семинарах "Проблемы теоретической и прикладной электронной и ионной оптики"; Научно-технических конференциях с участием зарубежных специалистов "Вакуумная наука и техника"; Международной научно-практической конференции "Техника и технологии: пути инновационного развития"; Международной конференции "Фото-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы", Российских конференциях по электронной микроскопии и др.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 22 научных работ, в том числе 6 работ опубликованы в журналах, входящих в перечень изданий, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ для опубликования основных научных результатов диссертаций на соискание ученой степени доктора и кандидата наук.