Введение к работе
Актуальность работы
В настоящее время существует ряд задач, для решения которых требуется от вычислительных устройств высокая производительность и значительный объем памяти. К таким задачам, например, относится обработка и распознавание изображений в реальном масштабе времени.
Универсальной элементной базой вычислительных устройств, решающих данные задачи, являются электронные БИС и СБИС. Однако, традиционные пути совершенствования их конструкторско - технологического процесса приблизились к своим физическим пределам. Нерешенным остается ряд проблем: параллельного ввода и вывода' данных, реализации большого количества соединений на кристалле и между кристаллами, помехоустойчивости, реализации нескольких независимых потоков данных и их коммутации. Вследствие этого множество эффективных алгоритмов оказывается нереализованными.
Большой интерес представляет оптическая и оптоэлект-ронная элементная база, отличающаяся параллелизмом, высокой производительностью и свободная от большинства перечисленных недостатков чисто электронных интегральных схем. Но применение оптической элементной базы ограничено из-за низкой технологичности, узости класса решаемых задач и плохой программируемое.
Качественно новые возможности перед разработчиком высокопроизводительных устройств возникли благодаря появлению так называемых трехмерных интегральных схем. Применение трехмерной технологии позволяет кроме значительного повышения степени интеграции реализовать большое количество соединений, снизить потребляемую мощность, повысить эффективность выполнения матричных операций. Однако, параллельности ввода и вывода данных при чисто электронной реализации достичь не удалось, что создало предпосылки для привнесения достоинств оптических элементов в БИС, создания параллельных оптических каналов Евода/вывода и, следо-
вательно, появления нового класса БИС - трехмерных оптоэ-лектронных БИС (ТОЭ БИС).
Расширение возможностей электронных БИС за счет применения оптических и оптоэлектронных элементов может разрешить противоречие между последовательным вводом/выводом и параллельной обработкой на кристалле, свойственных современным чисто электронным БИС, и более эффективно реализовать выполнение матричных операций, на которых основываются многие алгоритмы обработки изображений. Использование в качестве основных обрабатывающих элементов электронных элементов, продолжающих самостоятельно развиваться, отличается универсальностью, технологичностью и гибкостью, а также возможностью использования значительных достижений в области их проектирования, конструирования и изготовления.
Таким образом, новое направление в разработке БИС-элементной базы, сочетающей достоинства оптики в реализации большого количества связей и микроэлектроники в реализации высокопроизводительных и технологичных элементов обработки информации, является актуальным и требует дальнейшего исследования.
Дель работы
Цель настоящей диссертационной работы состоит в разработке и исследовании элементов трехмерных оптоэлектронных БИС, предназначенных для построения высокопроизводительных устройств обработки изображений.
Предмет исследования
Предметом исследования явились элементы трехмерных оптоэлектронных БИС, предназначенные для ввода, вывода, преобразования и обработки изображений.
Задачи исследования
1. Сделать обзор и анализ современных достижений в области создания оптической и электронной элементных баз, определить основные трудности в развитии высокопроизЕоди-
тельных устройств обработки данных.
-
Провести теоретическое исследование структуры ТОЭ БИС.
-
Определить факторы, обеспечивающие повышение производительности, и величину ожидаемой производительности устройства обработки изображений на основе ТОЭ БИС.
4. Исследовать основные характеристики многоканаль
ных оптических связей между отдельными ТОЭ БИС и многока
нальных электрических связей между кристаллами.
5. Определить особенности проектирования элементов
ТОЭ БИС, разработать и исследовать функциональные элемен
ты, выполняющие различные операции обработки изображений,
оценить их быстродействие.
6. Провести экспериментальные исследования оптичес
ких многоканальных связей и сопоставить теоретические и
экспериментальные результаты.
Методы исследования
Теоретические результаты работы получены с помощью исследования современных направлений совершенствования интегральных схем, аналитических и программных методов расчета элементов интегральных схем; экспериментальные результаты - путем электрофотометрических измерений параметров оптических связей и моделирования на ЭВМ.
Научная новизна работы
В диссертационной работе получены следующие научные результаты:
-
разработан способ повышения производительности устройств обработки изображений;
-
предложен способ расчета многоканальных оптических связей;
3. разработаны микроалгоритмы функционирования эле
ментов предварительной обработки изображений.
Основные положения, выносимые на зашиту
К оснобным положениям, выносимым на зашиту, можно от-
нести :
і. структуру трехмерной оптоэлектронной БИС, основанную на применении многоканальных электрических и оптических связях и имеющую в своем составе кристаллы матриц фотоприемников, процессорных элементов и излучателей-,
-
методику расчета многоканальных оптических связей, определяющую зависимость их пропускающей способности от потребляемой мощности и параметров фотоприемников и излучателей;
-
микроалгоритмы функционирования и электрические схемы функциональных элементов ТОЭ БИС для фильтрации бинарных изображений, восстановления односвязности изображений, определения элементов изображений подвижных объектов;
-
микроалгоритмы функционирования и электрические схемы функциональных элементов для выделения областей равной интенсивности, выделения контура полутоновых изображений и их реализации на МОП-структурах;
5. рекомендации по выбору стиля проектирования про
цессорных элементов и по выбору технологии.
Практическая ценность
В диссертационной работе получены следующие практические результаты:
-
разработаны структурные схемы ТОЭ БИС для построения высокопроизводительных устройств обработки изображений;
-
создана методика расчета многоканальных оптических связей;
-
разработаны схемотехнические решения элементов ТОЭ БИС обработки изображений;
-
приведены рекомендации по реализации элементов обработки изображений.
Внедрение результатов работы
Результаты диссертационной работы внедрены в СКТБ "Салют" (г. Москва) и на НТП "Патент" (г.Москва).
Апробация работы
Основные теоретические и практические результаты работы докладывались на Третьем региональном семинаре "Распределенная обработка информации" в июле 1989 года в г. Улан-Удэ и на научно-технических конференциях ШРЭА в 1938-1994 годах.
Публикации
Ло теме диссертации опубликовано 5 печатных работ и получено б авторских свидетельств на изобретения.
'Объем и структура диссертации
Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения,
списка литературы из наименований и приложения. Диссер
тация содержит страниц машинописного текста, табли
цы' и рисунка.
