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Verfahren zur logistischen Verknüpfung von gespeicherten Informationen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren, mit dessen Hilfe gespeicherte Dual-Informationen
aus Matrixspeichern logistisch miteinander verknüpft werden können.
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Zur Ausführung der mathematischen Grundoperationen in elektronischen
Rechenanlagen sind Verfahren bekannt, bei denen Informationen aus Ferrit-Ringkern-
oder Schichten-Matrix-Speichern entnommen und durch elektrische und magnetische
Schaltelemente logistisch miteinander verknüpft werden. Die Entnahme der gespeicherten
Informationen geht im allgemeinen mit einer Zerstörung des Informationsinhaltes
der Magnet-Matrix-Speicher einher, kann aber durch Ausnutzung geeigneter physikalischer
Vorgänge zerstörungsfrei erfolgen.
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Weiter ist bekannt, daß Schichtenspeicher mit lichtoptischen Mitteln
unterAnwendung der magnetooptischen Effekte beliebig oft ohne Störung der gespeicherten
Information abgefragt werden können.
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Bekannt ist ferner durch die Arbeit von L. Kleinrock, daß mit Hilfe
des magnetooptischen Kerr-Effektes logistische Verknüpfungen von Informationen zweier
Schichtenspeicher durchgeführt worden sind. Dabei sind nach Fig. 1 die Speicherschichten
parallel und etwas versetzt zueinander angeordnet. Der von der Lichtquelle 1 kommende,
schräg einfallende Lichtstrahl tritt durch den Polarisator 2 und wird an den Speicherschichten
3 und
4 reflektiert und gelangt durch den Analysator 5 auf den Lichtindikator
b, wo er seiner Intensität nach vermessen wird. Die Intensität läßt sich ausdrücken
durch I = C0S2 (9,0 -I- T1 -I- 9,2), wenn der Proportionalitätsfaktor gleich 1 gesetzt
ist, was für die folgenden Überlegungen ohne Belang ist. Dabei bedeuten 991 und
V die Drehwinkel der Polarisationsebene der beiden Schichten; sie sind dem Betrage
nach gleich: 9,i j =19n 1= 9, > o, ihre Vorzeichen sind dem Magnetisierungszustand
der beiden Schichten und damit den gespeicherten Dualzahlen L und 0 direkt zugeordnet.
Es wird vereinbart, daß 991 bzw. V < 0 die Zahl L und p1 bzw. 992 > 0 die Zahl
0 bedeuten soll. Der maximalen Empfindlichkeit wegen wird der Winkel 990 zwischen
Polarisator und Analysator auf 920 = 45° eingestellt. Trägt 3 die Zahl
L und 4 die Zahl
L,
so ist ILL
= C062 (99O
- 29p), Trägt
3 die Zahl L und 4 die Zahl 0, so ist ILO = C0S2 (W). Trägt 3 die Zahl 0 und 4 die
Zahl L, so ist IOL = C0S2 (R). Trägt 3 die Zahl 0 und 4 die Zahl 0, so ist IQO =
C0S2 (TO -I- 2q». Man bezeichnet nun mit Il = 1/2 (ILO + 1o0) und mit
12 = 1/2 (ILL + ILo)-Damit wird, wenn
a und
b die gespeicherten
und zu verknüpfenden Dualzahlen bedeuten, nach de Booleschen Algebra dargestellt:
die Konjunktion u&b
= L, falls 1>12 = 0, falls
I < 12
und die
Disjunktion avb=L,falls 1>I1 = 0; falls I < Il und
die
Negationen
| a & b = L, falls I > Il |
| = 0, falls I < I1 und wenn gleichzeitig |
| a v b = L, falls I > 12 der Analysator nach |
| = 0, falls I < p = 135° gedreht wird. |
| I2 |
Diese Verknüpfungsvorgänge zeichnen sich dadurch aus, daß die zu verknüpfenden Informationen
a und b unter sich und gegenüber dem Resultatkreis in Form des Lichtindikators mit
vorgesetztem Analysator vollständig energetisch entkoppelt sind und daß die Verknüpfungen
keine elektrischen Mittel erfordern.
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Weiterhin ist nach A n d e r s o n bekannt, daß lichtelektrische Zellen
durch Nutzung polarisationsoptischer Effekte in ferroelektrischen Kristallen als
Lichttore benutzt werden können. Hierbei besteht ein Lichttor aus der Kombination
ferroelektrische Zelle-Analysator bzw. ferroelektrische Zelle-A/4-Blättchen-Analysator
bzw. ferroelektrische Zelle-2/2-Blättchen-Analysator. Bei den ersten beiden Kombinationen
sind die Lichttore immer dann geöffnet, wenn an die Zellen eine elektrische Spannung
gelegt wird; bei der dritten Kombination ist die Zelle im spannungslosen Zustand
geöffnet und bei angelegter Spannung geschlossen. In der zweiten Kombination hat
das R/4-Blättchen die Aufgabe einer Temperaturkompensation, und in der dritten hat
das d/2-Blättchen die Aufgabe einer Temperaturkompensation und einer logistischen
Verhinderung zu erfüllen. Durch Hintereinanderschaltung zweier oder mehrerer Lichttore
wird die Und-(Konjunktion)- bzw. Verhinderung-(Inhibitor)-Schaltung und durch Parallelschaltung
zweier oder mehrerer Lichttore die Oder-(Disjunktion)-Schaltung dargestellt. Mit
diesen drei Schaltungsarten lassen sich alle logistischen Verknüpfungen zwischen
zwei und mehr Dual-Informationen bilden. Als Beispiele werden eine Flip-Flop-Stufe,
eine , kombinierte Und-Oder-Schaltung und durch Hinzufügen einer Verzögerung ein
Dual-Adder nach dem von-Neumann-Typ angeführt.
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Nachteilig bei Verfahren, die die Verknüpfungen mit elektrischen und
magnetischen Schaltelementen durchführen, ist, daß mit der Ausspeicherung zum Zwecke
der Weiterführung der Information in die Verknüpfungselemente notwendig ein Löschen
der gespeicherten Information einhergeht. Um die Speicher in ihren ursprünglichen
Zustand zu versetzen; muß sofort nach der Ausspeicherung eine neue Einspeicherung
der alten Informationen durchgeführt werden, die in verschiedener Weise erfolgen
kann. Diese Bemerkungen beziehen sich nicht auf spezielle Speicherlemente, bei denen
durch Ausnutzung bestimmter physikalischer Vorgänge mit dem Abfragevorgang kein
Informationsverlust auftritt. Bis jetzt ist jedoch nicht bekannt, daß diese als
Speicher- und Verknüpfungselemente wirkenden magnetischen Schaltorgane technische
Anwendung gefunden haben.
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Als Nachteile beim Verfahren nach L. Kleinrock sind zu nennen: Der
durch die magnetischen Eigenschaften des Schichtmaterials- notwendig schräge Lichteinfall
bedingt, daß nur eine Komponente der Magnetisierung zur Drehung der Polarisationsebene
beiträgt. Schräge Einfallswinkel ergeben einen beträchtlichen Anteil an elliptisch
polarisiertem Licht, der die Empfindlichkeit des Verfahrens mindert.
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Neben der magnetischen Eigenschaft der Schicht muß eine gute Reflexionseigenschaft
der Schichtoberfläche gefordert werden. Es treten sehr kleine Drehwinkel der Polarisationsebene
in der Größenordnung von einigen Winkelminuten auf, die durch aufgedampfte; dielektrische
Schichten nur um etwa den Faktor 5 vergrößert werden können, so daß maximal eine
doppelte Drehung von 30 Winkelminuten erreicht werden kann. Die Drehwinkel aber
bedingen die Empfindlichkeit und damit die technische Einsatzmöglichkeit des Verfahrens.
In einer Schicht kann nur eine Dual-Information gespeichert werden. Auf Grund des
schrägen Lichteinfalls kann nur ein kleiner Bereich der Schicht abgefragt werden.
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Die zur Einspeicherung notwendigen Stromschleifen schatten einen Teil
der Schichtoberfläche ab, womit dieser Teil für die magnetooptische Abfragung ausfällt.
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Es können nur spezielle Negationen und nicht alle möglichen logistischen
Verknüpfungen zwischen zwei Informationen dargestellt werden.
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Nachteilig beim Verfahren nach A n d e r s o n ist, daß jedem Lichttor
ein Analysator zugehört, womit eine beträchtliche Lichtabsorption verbunden ist,
daß zur Darstellung der Konjunktionen und der Disjunktionen zwei verschiedene Anordnungen
der Lichttore notwendig sind und daß zur Ausführung der Verknüpfungsoperationen
die Informationen in Form von elektrischen Spannungen bereitgestellt werden müssen.
Mit letzterem müssen also die zu verknüpfenden Informationen erst einmal einem Speicher
entnommen und als elektrische Signale über elektrische Leitungen den Lichttoren
als Schaltelemente zugeführt werden. Damit bieten die ferroelektrischen Zellen bei
dieser Art der Anwendung bis auf die Tatsache, daß beim Verknüpfungsvorgang eine
vollständige energetische Entkoppelung zwischen den zu verknüpfenden Informationen
und dem Resultatkreis besteht, gegenüber den bekannten elektrischen bzw. magnetischen
Verknüpfungslementen keine Vorteile. Diese Zellen können somit nur als gleichwertiger
Ersatz der elektrischen bzw. magnetischen Verknüpfungselemente betrachtet werden.
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Mit Einfügen eines d/2-Blättchens wird die Verhinderung dargestellt.
Nach dem Vorgang von Anderson kann diese Verknüpfung aber ebenso durch elektrische
Vorspannungen der Zellen gebildet werden, so daß sich damit keine neue Verknüpfung
ergibt. Dies wird von A n d e r s o n selbst bestätigt; da in keinem seiner angeführten
Beispiele ein R/2-Blättchen zur Anwendung kommt.
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Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, ein Verfahren anzugeben, das
von den angeführten Nachteilen frei ist, alle möglichen logistischen Verknüpfungen
zwischen zwei in einem Speicher befindlichen Dual-Informationen gestattet und sich
auf die Verknüpfungen von drei und mehr gespeicherten Informationen ausdehnen läßt.
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Erfindungsgemäß erfolgten die Abfrage und logistische Verknüpfung
der in Schichtenspeichern enthaltenen Informationen mit Hilfe eines polarisierten
Lichtstrahles durch Anwendung des polaren Faraday-Effektes mit teilweiser Einschaltung
eines A/2-Blättchens. Dabei durchsetzt ein von einer Lichtquelle
mit
nachgeschaltetem Polarisator kommender monochromatischer, linearpolarisierter Lichtstrahl
von der Ausdehnung der gespeicherten Informationspunkte die beiden hintereinander
angeordneten Speicherschichten und gegebenenfalls ein A/2-Blättchen; seine Intensität
wird nach Durchtritt durch den Analysator von einem auf Intensitätsintervalle empfindlich
eingestellten Photoindikator angezeigt.
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Die Speicherschicht besteht aus transparentem, magnetischem Schichtmaterial
mit uniaxialer Anisotropie senkrecht zur Schichtebene, das eine hohe Informationsdichte
zuläßt: Als Beispiel sei die intermetallische Verbindung Mangan-Wismut genannt.
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Der Erfindungsgenstand beinhaltet folgende Vorteile Da die Entnahme
der zu verknüpfenden Informationen aus den Speichern (die Abfrage) lichtoptisch
erfolgt, wird bei diesem Vorgang der Informationsinhalt der Speicher in keiner Weise
beeinflußt oder gestört.
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Der Faraday-Effekt ist ein Volumeneffekt.
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Die beiden nur möglichen Magnetisierungsrichtungen liegen parallel
bzw. antiparallel zum abfragenden Lichtstrahl, womit die volle Faraday-Drehung zur
Wirkung kommt. Auf Grund des polaren magnetooptischen Effektes ist die elliptische
Polarisation klein. Es treten große Drehwinkel der Polarisationsebene in der Größenordnung
von einigen Winkelgraden auf, womit wegen des daraus folgenden großen Intensitätsunterschiedes
eine technische Verwertung ohne weiteres gegeben ist.
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In einer zusammenhängenden Schicht können sehr viele Informationen
untergebracht werden, da der Magnetisierungszustand eines Informationspunktes die
Nachbarschaft nicht wesentlich stört.
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Es können große Bereiche der Schicht abgefragt werden.
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In jedem Verknüpfungsweg befinden sich nur ein Polarisator und ein
Analysator, unabhängig davon, wie groß die Zahl der zu verknüpfenden Informationen
ist, womit unnötige Lichtabsorptionen vermieden werden.
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Zur Darstellung der Konjunktionen und der Disjunktionen wird nur eine
Anordnung der als Licht-Lore wirkenden Schichtenspeicherelemente benutzt. Zur Ausführung
der Verknüpfungsoperationen wird der durch den Abfragevorgang in seiner Polarisationsebene
gedrehte Lichtstrahl direkt benutzt, ohne daß zur Verknüpfung erst eine Übertragung
der gespeicherten Informationen in elektrische Signale notwendig ist.
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Durch Einfügen eines A/2-Blättchens in den Strahlengang wird die Negation
der entsprechenden Information gebildet.
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An einem Anwendungsbeispiel soll das Verfahren erläutert werden Es
zeigt Fig. 2 den Weg des abfragenden und die logistischen Verknüpfungsoperationen
durchführenden Lichtstrahls.
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Ein von einer monochromatischen Lichtquelle kommender Lichtstrahll
tritt durch einen Polarisator 2 und verläßt diesen als linearpolarisierter Strahl
mit dem Schwingungsazimut von 0°. Durch eine erste Speicherschicht 3 wird die Polarisationsebene
um den Winkel (p1 gedreht. Nun tritt der Lichtstrahl in ein A/2-Blättchen ein und
wird in diesem in zwei orthogonal zueinander stehende Komponenten (außerordentliche
Komponente eo, ordentliche Komponente o) mit den Azimuten y und
y + 90° aufgespalten. Das Licht verläßt dieses Blättchen in einem außerordentlichen
und in einem um 180° versetzen ordentlichen Strahl. Diese beiden Komponenten werden
nun bei Durchtritt durch eine zweite Speicherschicht 4 jede für sich um den Winkel
e gedreht. Dann gelangt der Lichtstrahl auf einen Analysator 5, der die auf seine
Schwingungsrichtung projizierten Komponenten algebraisch addiert und den in seiner
Intensität veränderten Lichtstrahl einem Photoindikator 6 zuleitet. Durch geeignete
elektronische Mittel wird der Photoindikator auf bestimmte Intensitätsintervalle
empfindlich eingestellt.
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Der abfragende und die logistischen Verknüpfungsoperationen ausführende
Lichtstrahl wird bei dem Erfindungsgegenstand mit Hilfe von Spiegelgalvanometern
oder rotierenden Spiegelanordnungen zeilen-und spaltenweise über die Schichtoberfläche
geführt.
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Andererseits kann das Schichtensystem von einem breiten parallelen
Lichtbündel durchsetzt und die zeilen- und spaltenweise Abfrage und Verknüpfung
durch Anwendung einer Nipkow-Scheibe durchgeführt werden, die irgendwo im parallelen
Strahlengang angebracht werden kann.
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Zur Einspeicherung werden Stromschleifen benutzt, die in der Schichtebene
liegen und daher keine Abschattung der Schicht mit Verlust an Informationsfläche
ergeben können. Die Stromschleifen können mit Hilfe von engmaschigen Drahtnetzen
oder mit Hilfe von gedruckten, engmaschigen Netzwerken realisiert werden, die in
engen Kontakt zu den Schichten gebracht werden.
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Ohne Einschaltung des A/2-Blättchens ergibt sich bei der Anordnung
die Intensität des auf den Photoindikator fallenden Lichtes zu I = COS2 (%
+ 9,1 + q,2).
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Die Konjunktion, die Disjunktion und die zwei speziellen Negationen
stellen sich in gleicher Weise wie im Verfahren nach L. Kleinrock dar.
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Durch Einfügen eines A/2-Blättchens in den Strahlengang zwischen den
beiden Speicherschichten ergibt sich die vom Photoindikator gemessene Intensität
nach Fig. 3 nun aber zu I = cos2 (2y - 8 - 991 + q@z), wenn
jetzt b der Winkel des Analysators zum Polarisator und y der Winkel des A/2-Blättchens
zum Polarisator bedeutet. Stellt man der maximalen Empfindlichkeit wegen 2y - 8
auf 990 = 45' ein, was mit y = 45° und 8 = 45° erreicht wird, so ist
I = C062 (9o - 991 + q,2), womit die Konjunktion ä & b = L, falls
I > 12
= 0, falls I < 12 und die Disjunktion ä v b = L, falls
1 > Il = 0, falls I < Il dargestellt wird.
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Bleibt nun das A/2-Blättchen bei y = 45° stehen, und wird der Analysator
(analog wie im Falle ohne
R/2-Blättchen) in die Stellung ä =
135' gebracht, so ist 2y - 8 = -45° und daher I = C0S2 (" -I-
991 - 992), womit die Konjunktion a & b = L, falls
I > 12 = 0, falls I < 12 und die Disjunktion a v b = L,
falls I > I1 = 0, falls I < I1 dargestellt wird.
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Mit der Anordnung können also mit vier Einstellungen des Analysators
bzw. des A/2-Blättchens folgende logistische Verknüpfungen dargestellt werden
| Analysator A/2-Blättchen Logistische Verknüpfung |
| 45° ohne a & b und a v b |
| 45° 45° ä & _b und ä v _b Diese logistischen
Verknüpfungen sind neu und mit dem |
| 135° 45° a & b und a y P angezogenen Verfahren
nicht darstellbar. |
| 135° ohne a & b und a v b |
Dies sind alle möglichen logistischen Verknüpfungen zwischen zwei Informationen,
wenn jeweils eine Verknüpfungsoperation angewendet wird.
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Durch Einfügen weiterer Speicherschichten und A/2-Blättchen in den
Strahlengang der Fig. 2 lassen sich logistische Verknüpfungen zwischen ,drei und
mehr Dualzahlen in mannigfaltiger Art darstellen.
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Die Leistungsfähigkeit des Verfahrens soll am Halb-Adder und am Halbsubstraktor
demonstriert werden, die die wesentlichen Elemente elektronischer Rechenanlagen
bilden.
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Der Halb-Adder verlangt die Verknüpfungen: (a & b) v (ä &
b) = Summe und a & b = Übertrag. Beide werden mit der ersten Einstellung
realisiert, und zwar die Summe = L, falls Il < I < 1Z = 0, falls
I < Il und I > I2 der Übertrag = L, falls I > 12
0, falls I < 12.
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Der Halbsubstraktor verlangt die Verknüpfungen (a & b) v (ä
& b) = Differenz und ä & b = Borrow. Dabei wird die Differenz
mit der ersten Einstellung und der Borrow mit der zweiten Einstellung gebildet und
zwar die Differenz = L, falls 1i < I < 12 = 0, falls
I < I1 und I > I2 der Borrow = L, falls 1 > 12 =
0, falls I < 12.