Что такое оптоинформатика? «оптоинформатика» -область науки и техники, связанная с исследованием, разработкой, созданием и эксплуатацией новых материалов, технологий, приборов и устройств, направленных на передачу, прием, обработку, хранение и отображение информации на основе оптических технологий.

учебный курс ОПТОИНФОРМАТИКА пути развития информационных технологий: пределы электронной техники и их преодоление на основе оптических альтернатив; основные источники излучения в оптоинформатике: принципы работы полупроводниковых лазеров, лазеры на гетероструктурах, лазеры и усилители на основе квантоворазмерных эффектов, вертикально- излучающие полупроводниковые лазеры, волоконные лазеры и усилители, планарные лазеры и усилители; передача информации в оптических линиях связи: формирование, распространение, поглощение и дисперсия световых импульсов в волоконно-оптических линиях, спектральное и временное уплотнение информационных потоков, элементная база оптических линий связи, передача оптических сигналов в атмосфере и космосе;

Лекция 1. Перспективы развития компьютерных и информационных технологий Фундаментальные физические пределы кремниевой технологии. Пределы электронной компьютерной техники.

Первый компьютер 1834 г. Машина Баббиджа 25 тыс. деталей ф.с. Чарлз Баббидж ( )

Основатели цифровой компьютерной техники Норберт Винер (1894 – 1964) Джон Фон Нейман ( ) Electronic Discrete Variable Automatic Computer (EDVAC)EDVAC

ENIAC – первый цифровой ламповый компьютер Electronic Numerical Integrator and Computer электронных ламп резисторов 160 кВт потребляемая мощность John Presper Eckert ( ) John W. Mauchly ( ),

Итаниум2 (2003) транзисторов 1.7 ГГц

Цифровой оптический процессор EnLight – GMAC

Поколения компьютерной техники Механические машины (до 1940 г.) Компьютеры на вакуумных электронных лампах (1943 – 1959 г.г.) Транзисторные компьютеры (1959 – 1968 г.г.) Компьютеры на интегральных схемах (1969 – 1977 г.г.) Комьютеры на больших интегральных схемах (1978 – 2003 г.г.) Цифровые оптические компьютеры (1990 г. – до наст. времени) Фотонно-кристаллические компьютеры? Биокомпьютеры?

Основные даты элементной базы компьютерной техники Электронный компьютер 1947 – открытие транзистора (Бардин, Браттейн, Шокли) 1958 – интегральная схема (Джек Килби) 1978 – большая интегральная схема (Интел) Цифровой оптический компьютер 1984 – оптоэлектронная логическая ячейка (Белл) 1994 – акусто-оптическая матрица (Оптиком)

Первая планарная интегральная схема 1961 г. 25 мкм

Прогноз Гордона Мура в 1965 г. N = exp(X – 1959)-1 N – число компонентов на интегральной схеме X – года Удвоение числа компонентов каждый год

Прогноз Гордона Мура в 1975 г. Число транзисторов Данные 1965 г. Данные 1975 г. Прогноз

Закон Мура для числа транзисторов с 1970 по 2007 г.г. N = exp[(X-1975)* ] (1975…2003) 1 миллиард транзисторов в 2007 г.

Закон Мура для тактовой частоты Можем ли мы ожидать в 2020 г. электронный процессор с тактовой частотой 100 ГГц?

Термодинамический предел по мощности элементарной логической ячейки

Передаточная кривая КМОП транзистора Эксперимент Теория Входное напряжение (В) Выходное напряжение (В)

Квантовый предел по мощности элементарной логической ячейки Соотношение неопределенностей Гейзенберга

Ограничение, связанное с отводом тепла от элементарной ячейки Q – тепловой поток, Дж/с А - площадь К – коэффициент теплопроводности Р – мощность, отводимая от ячейки v s – скорость носителей, t d – время переключения v s ~ 10 7 см/с

Фундаментальные пределы современной компьютерной техники. Зависимость мощности, затрачиваемой на одно переключение, от времени переключения * Время переключения Мощность, Вт

ВЛИЯНИЕ ЕМКОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК КРЕМНИЕВОГО МИКРОЧИПА Энергия на зарядку емкости микрочипа С – емкость остается практически неизменной от технологии U – напряжение на микрочипе не может быть меньше 0.1 В (0.5…1 В) R – сопротивление увеличивается с уменьшением характерного размера микрочипа и ростом тактовой частоты Время на зарядку RC цепи микрочипа Рассеиваемая мощность будет расти с уменьшением характерного размера микрочипа

Технологическая зависимость относительной величины емкости между двумя проводящими структурами микрочипа Технология, нм Емкость Минимальное расстояние Двойное расстояние

Задержка, нс Технология, нм Задержка сигнала при распространении по микрочипу вследствие перезарядки

Мощность, Вт Время переключения Верхние кривые отражают предел кремниевой технологии по отводу тепла, нижние кривые – по расходу энергии на перезарядку RC цепей в микрочипе

Рост потерь в полупроводниковых процессорах Мощность, Вт Активные Пассивные

Плотность мощности, Вт/см 2 Проблема отвода тепла от микрочипа Утюг Ядерный реактор Сопло ракеты Поверхность Солнца

Основные ограничения: С ростом числа элементов увеличивается электрическая емкость системы и препятствует увеличению тактовой частоты Увеличение числа элементов приводит к росту числа межсоединений и, соответственно, к увеличению времени задержки прохода сигнала между макроструктурами процессора С ростом тактовой частоты растет сопротивление, что приводит к нагреву систему и проблеме отвода тепла (при охлаждении солями тяжелых металлов – 10 3 Вт/см 2 ) Оценки показывают, что максимум тактовой частоты при кремниевой технологии – 30…40 ГГц

Пределы современной компьютерной техники. 6 (d) (e) Время переключения Мощность, Вт

Вероятный ход зависимости закона Мура

Контрольные вопросы 1.Определение оптоинформатики 2. Основные даты компьютерной техники 3. Поколения компьютерной техники 4. Прогноз Г.Мура 5. Термодинамический предел электронной ячейки. 6. Квантовый предел электронной ячейки. 7. Проблема отвода тепла. 8. График фундаментальных пределов 9. Влияние емкостных характеристик 10. Влияние задержки сигналов. 11. Пределы кремниевой технологии 12. Вероятный ход зависимости Г.Мура