Континуальные системы

Понятие континуальной системы обработки информации появилось в работах Путилина А. Б. 1975—1980 гг.^[1]

Континуа́льные систе́мы (КС) формируются на основе непрерывных сред (физических полей), свойства которые определяются физикой процессов и в общем виде они выполняют операцию пространственно-временного функционального преобразования сигналов.

Операция пространственно-временного преобразования информации (ПВПИ) может быть определена как действие, в котором совмещено сканирование и измерение, при этом выходной сигнал отображает пространственное распределение характеристик измеряемого поля.

Приближение физического предела информационных систем на основе кремниевых структур диктует перспективу развития КС.^[2]

Развитие направления информационной техники, основанное на использовании континуальных и квазиконтинуальных физических систем преобразования информации ^[3] диктуется усложнением задач и переходом к алгоритмам адаптации и самоорганизации.

Структуры пространственно-временных систем могут быть рассмотрены как набор аналоговых элементарных устройств объединенных перекрестными связями. При этом учитываются физические особенности преобразующей среды.

Рис. 1. Модель взаимодействия объекта с континуальной управляющей средой

Если устройство, взаимодействующее с объектом, представить в виде, показанном на рис. 1, то для него можно записать:

$~U=\{A,F,X\},$

где U — поле управления, формируемое под воздействием среды, имеющей оператор преобразования A и обладающей пространственно-временной дисперсией;

F — оператор внешнего воздействия на среду,

X — сигнал, характеризующий состояние объекта.

Тогда сигнал управления U, можно представить в виде:

$U_i(k,\omega)=\sum^{n}_{j=1} A_{ij}(k,\omega)X_j(k,\omega),$

где $~A_{ij}$ — преобразование Фурье от матричного ядра оператора управляющей среды.

При этом считаем, что внешнее воздействие F отсутствует, а $~x_i(k,\omega)$ и $~U_i(k,\omega)$ могут быть представлены в виде многомерных интегралов Фурье:

$x_i(k,\omega)=\int e^{ikr+iwt}x_i(r,t)drdt,$ $U_i(k,\omega)=\int e^{ikr+iwt}U_i(r,t)drdt.$

Если теперь записать выражение для сигнала управления в оригиналах, то получим:

$U_i(r,t)=\sum^{n}_{i=1}\int\limits_S Q_{ij}(r-r_1,t-t_1)x_j(r_1,t_1)dr_1dt_1,$

где S — некоторая область пространственно-временного континуума.

Если ввести функцию $x^0_j(r,t)$, равную $~x_j(r,t)$ в пределах области B и равную нулю вне этой области, то полученное в оригиналах выражение можно распространить на все пространство, включая область S:

$U_i(r,t)=\sum^{n}_{i=1}\int\limits_S Q_{ij}(r-r_1,t-t_1)x^0_j(r_1,t_1)dr_1dt_1.$

Используемая матрица $~A_{ij}(k,\omega)$, для управляющей континуальной среды, должна быть подчинена определенным требованиям, аналогичным требованиям физической реализуемости в одномерном случае.

При этом класс функций $~A_{ij}(k,\omega)$ естественно определяется свойствами среды и доступности ее физической реализуемости при синтезе, а это связано с технологическими возможностями и ограничениями, накладываемыми применяемыми материалами ^[4]

Решение задач синтеза континуальных преобразующих сред с заданными операторами преобразования сигналов может осуществляться на основе искусственных сред, обладающих дискретно-аналоговой или, иначе, квазиконтинуальной структурой. ^[5]

Рис. 2. Обобщенная гипотетическая модель континуальной системы преобразования сигналов

Можно определить общие элементы квазиконтинуальных систем:

• среда преобразования сигналов всегда отвечает условиям континуальности и имеет свойство направленного изменения состояний, простейший пример — электрическое поле в вакууме;
• управление процессом изменения характеристик внутри континуальной среды осуществляется на макроскопическом дискретом уровне и обеспечивает совмещение свойств физического носителя сигнала с возможностями внешнего воздействия на поле;
• физический носитель сигнала (ФНС) может быть преобразован в пакеты неравномерных носителей сигналов, которые перемещаются внутри континуальной среды или на его границах, сохраняя условия адекватной передачи информативных характеристик сигнала.

Многофункциональность прикладного использования элементов континуальной электроники определяется именно высоким уровнем интеграции различных качеств, хорошо известных из схемотехнической электроники. Многие структурные элементы традиционных систем преобразования сигналов являются частным случаем элементов континуальной электроники и могут быть реализованы в различных вариантах на базе одного элемента.

Континуальная система преобразования информации определяется физическими средами, используемыми для преобразования информации. Область электроники, занимающаяся изучением физики и особенностей использования элементов в информационных системах получила название функциональная электроника.^[6] Континуальными средами функциональной электроники являются твердотельные материалы — пьезоэлектрики, пьезополупроводники, сложные слоистые среды и другие физически неоднородные образования.

Среды в диэлектрической электронике

В качестве континуальных сред в диэлектрической электронике используются, как правило, активные диэлектрики. Под активными диэлектриками понимаются диэлектрические материалы, в которых могут быть возбуждены динамические неоднородности, которые предназначены для процессов генерации, усиления, преобразования и хранения информации. Активные диэлектрики, используют в качестве континуальных сред в приборах и устройствах, обладающих широким набором свойств, определяемых типом воздействующих физических полей: механических, тепловых, электрических, магнитных.

Среды полупроводниковой электроники

Континуальные средами в полупроводниковой функциональной электронике различаются на:

• Элементарные полупроводники

представляющие собой кристаллическую решетку. Например, в германии и кремнии, являющимися основными материалами, атомы образуют кристаллическую решетку типа алмаза.

• Соединения типа $A^{III}B^V$ (GaAs, InAs, GaSb, InSb, GaP, InP)
• Соединения типа $A^{II}B^{IV}$ (ZnS, CdS, HgSe, ZnSe, ZnTe)
• Соединения элементов VI группы с элементами I—V групп образуют кристаллы, в которых преобладает ионная связь.

Среды магнитоэлектроники

Основу составляют цилиндрические магнитные домены (ЦМД). Первые ЦМД-приборы изготавливались на редкоземельных ортоферритах, имеющих формулу LnFe03.

Среды оптоэлектроники

Континуальными средами в функциональной оптоэлектронике могут служить как пассивные оптические среды так и активные. Под активной средой понимаются вещества, распространение частиц (атомов, молекул, ионов) которого, не является равновесным по энергетическим состояниям, а также среда, в которой меняется плоскость поляризации световой волны. Пассивные оптические среды представляют собой каналы передачи оптического информационного сигнала. Это каналы высокой добротности и оптического качества, например, оптические стекла, кварц и т. п.

Среды молекулярной электроники

Весьма перспективной средой для функциональной молекулярной электроники являются органические полимеры. Они состоят из цепочки слабосвязанных молекул с частично заполненными зонами валентных электронов.

При выборе континуальных сред руководствуются условием максимальной эффективности возбуждения заданного типа динамической неоднородности — то есть такой восприимчивости среды к внешним воздействиям, которая позволяет обеспечить управляемость и решение задачи преобразования сигналов.

Ссылки

• О возможностях метода граничных элементов при моделировании континуальных систем
• Электроника четвертого поколения — функциональная электроника?
• Функциональная СВЧ-электроника
• Этапы развития технологии информации: от битов к кубитам

Примечания

1. ↑ Путилин А. Б. Политрон (Использование в схемах преобразования информации) Энергия, М., 1980. 72 с.
2. ↑ Гуляев Ю. В. и др. Физические ограничения минимальных размеров элементов современной микроэлектроники.- «Успехи физических наук», 1984, 144 с.
3. ↑ Путилин А. Б. Введение в теорию преобразования и обработки сигналов. (Основы пространственно-временного и нелинейного преобразования сигналов) М.: Квадрат-С, 2000, 130 с.
4. ↑ Путилин А. Б. Континуальные системы обработки информации. — М.: Квадрат-С, 2005, 156 с.
5. ↑ Путилин А. Б. Основы проектирования элементов функциональной электроники. Электронное моделирование. № 4, 1990, Киев.
6. ↑ А. А. Щука. Под ред. проф. А.С. Сигова. Электроника. — СПб.: БХВ-Петербург, 2005. — 800 с. — ISBN 5-94157-461-4

Для улучшения этой статьи желательно?: Викифицировать статью. Найти и оформить в виде сносок ссылки на авторитетные источники, подтверждающие написанное. Исправить статью согласно стилистическим правилам Википедии. Проставить интервики в рамках проекта Интервики. Проставить для статьи более точные категории.