三值光學(xué)處理器研究綜述

陳麗萍 江家寶 劉擁

摘要：三值光學(xué)處理器是三值光學(xué)計(jì)算機(jī)的核心器件之一，它是光學(xué)運(yùn)算的物理承載體，是一種光運(yùn)算、電控制的新型處理器，其明顯特點(diǎn)是處理器可重構(gòu)、數(shù)據(jù)位眾多易擴(kuò)展。經(jīng)過十余年的不懈努力，三值光學(xué)處理器的研究取得了豐富的研究成果。對(duì)三值光學(xué)處理器的研究進(jìn)展進(jìn)行了深入總結(jié)和分析，首先介紹三值光學(xué)處理器及其工作原理，整理已取得研究成果，最后分析三值光學(xué)處理器下一步的研究方向。

關(guān)鍵詞：三值光學(xué)處理器；可重構(gòu)；降值設(shè)計(jì)理論；MSD

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）25-0263-02

1 三值光學(xué)處理器

隨著計(jì)算機(jī)不斷應(yīng)用在人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€(gè)方面，從簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)計(jì)算和處理，擴(kuò)展到復(fù)雜的工業(yè)控制和科學(xué)研究數(shù)據(jù)處理，很大程度提高了生產(chǎn)效率。目前計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度和性能仍在不斷提高，但是面對(duì)人們解決復(fù)雜度高的問題要求的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理和算術(shù)運(yùn)算，電子計(jì)算機(jī)日趨顯露其發(fā)展極限。這是由于電子的本性限制著電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展，一是電信號(hào)的輻射損耗限制著計(jì)算機(jī)各部件的通信速度；二是電子計(jì)算機(jī)位數(shù)的大幅度增加難以實(shí)現(xiàn)。因此人們不斷研究各種新型的計(jì)算機(jī)，其中以光子取代電子，研究構(gòu)造光學(xué)計(jì)算機(jī)吸引了更多專家和研發(fā)人員，并且已經(jīng)取得了長(zhǎng)足進(jìn)展。因?yàn)楣庥?jì)算機(jī)最重要的兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：光傳播時(shí)無輻射損耗和光束之間無須屏蔽；而這兩點(diǎn)正是克服電子計(jì)算機(jī)的速度和位數(shù)的兩個(gè)瓶頸。同時(shí)，不斷創(chuàng)造出來的各種高質(zhì)量光學(xué)器件為光計(jì)算機(jī)的誕生奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。

目前光學(xué)計(jì)算機(jī)研究有三個(gè)分支，其中一個(gè)分支是以計(jì)算機(jī)的基本原理來考察光的物理特征，尋找合適的光學(xué)特征和成熟的空間調(diào)制器，以現(xiàn)代技術(shù)（主要是電子計(jì)算機(jī)技術(shù)）為背景，研發(fā)能充分發(fā)揮光學(xué)優(yōu)勢(shì)的計(jì)算機(jī)，從發(fā)揮光學(xué)的個(gè)別優(yōu)勢(shì)逐步發(fā)展到發(fā)揮更多的光學(xué)優(yōu)勢(shì)。其中金翊教授等人提出的三值光學(xué)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)，并經(jīng)過隨后十年的不懈研究，于2011年建成了千位三值光學(xué)計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究系統(tǒng)SD11以及后來的一系列核心技術(shù)研究。三值光學(xué)處理器是三值光學(xué)計(jì)算機(jī)的核心硬件之一，它是光學(xué)運(yùn)算的物理承載體，是一種光運(yùn)算、電控制的新型處理器。使用有光態(tài)的兩個(gè)相互垂直的偏振方向和無光態(tài)來表達(dá)信息，三值光學(xué)處理器用液晶陣列控制光束的偏振方向， 配合偏振片來完成信息處理，由于液晶陣列在像素?cái)?shù)量上的優(yōu)勢(shì)，所以三值光學(xué)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)位數(shù)眾多，而且很容易再擴(kuò)展。依據(jù)降值設(shè)計(jì)原理，可隨時(shí)根據(jù)用戶需要，把光學(xué)處理器的任何部分構(gòu)造成某個(gè)邏輯運(yùn)算器。這也就是三值光學(xué)處理器的重構(gòu)性 [1]。還可以通過拼接新的光學(xué)處理器使得三值光學(xué)計(jì)算機(jī)擁有更多的數(shù)據(jù)位數(shù)，處理數(shù)據(jù)更快。

2 三值光學(xué)處理器工作原理

目前，以作為三值光學(xué)計(jì)算機(jī)的核心器件-三值光學(xué)處理器，采用“光處理、電控制、以電子計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)、逐步增加光學(xué)部件的構(gòu)造策略[2] 來構(gòu)建三值光學(xué)計(jì)算機(jī)。

三值光計(jì)算機(jī)的概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括三個(gè)主要部分：控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)輸入/輸出系統(tǒng)和光學(xué)處理器部件。圖中光學(xué)處理器部件的實(shí)線橢圓圈標(biāo)識(shí)的部分就是三值光學(xué)處理器。圖中輸入/輸出陣列與光學(xué)處理器部件間的粗線表示千位數(shù)據(jù)線，m通道數(shù)據(jù)輸入服務(wù)器與各輸入存儲(chǔ)陣列的細(xì)線表示64位數(shù)據(jù)線，m通道數(shù)據(jù)輸出服務(wù)器與各輸出存儲(chǔ)陣列的細(xì)線表示64位結(jié)果輸出線，控制系統(tǒng)發(fā)出的線是控制線，包括對(duì)運(yùn)算器的重構(gòu)命令控制線和各個(gè)電子部件的控制線。

目前的三值光學(xué)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)都是基于這個(gè)概念構(gòu)建，系統(tǒng)的主要工作原理簡(jiǎn)述如下：首先，用戶通過外部接口將任務(wù)提交給三值光計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，命令被發(fā)送給控制系統(tǒng)，數(shù)據(jù)被發(fā)送入數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)；其次，控制系統(tǒng)按照用戶的命令生成對(duì)各部件的控制命令，①控制器向數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)為用戶輸入數(shù)據(jù)申請(qǐng)數(shù)據(jù)通道，m通道數(shù)據(jù)輸入服務(wù)器分配某個(gè)存儲(chǔ)陣列，當(dāng)輸入存儲(chǔ)陣列存滿后，通過千位數(shù)據(jù)線將數(shù)據(jù)送入光學(xué)處理器部件中的編碼器，之后輸入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)陣列通知控制系統(tǒng)；②控制器對(duì)運(yùn)算器發(fā)出運(yùn)算器重構(gòu)控制命令，運(yùn)算器以三值運(yùn)算高效地處理數(shù)據(jù)，接著把運(yùn)算結(jié)果交給解碼器；之后將結(jié)果輸出給輸出系統(tǒng)的某個(gè)輸出存儲(chǔ)陣列；最后，輸出存儲(chǔ)陣列收到計(jì)算結(jié)果后，通過某個(gè)64位結(jié)果輸出線把結(jié)果送到m通道數(shù)據(jù)輸出服務(wù)器，經(jīng)過外部接口返回給用戶。

3 已取得的重要研究成果

3.1提出了進(jìn)位直達(dá)加法器思想

2004年，金翊，何華燦等人提出了用液晶構(gòu)成進(jìn)位直達(dá)并行通道，解決了三值光計(jì)算機(jī)的巨位數(shù)并行運(yùn)算進(jìn)位的串行延時(shí)難題，完善了三值光計(jì)算機(jī)加法器的原理[3]。

3.2 建立了降值理論

2006年，嚴(yán)軍勇，金翊和左開中等人在設(shè)計(jì)百位量級(jí)三值邏輯光學(xué)運(yùn)算器過程中，發(fā)現(xiàn)了降值設(shè)計(jì)規(guī)律-把運(yùn)算基元排成陣列，再按照“設(shè)計(jì)規(guī)范”組合運(yùn)算基元可隨時(shí)構(gòu)造一個(gè)對(duì)應(yīng)的無進(jìn)（借）位運(yùn)算符。隨后他們提出了三值邏輯光學(xué)運(yùn)算器的降值理論和通用降值設(shè)計(jì)規(guī)范；并將其應(yīng)用在三值邏輯光學(xué)運(yùn)算器設(shè)計(jì)中，獲得了令人滿意的效果。最后設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)重構(gòu)型三值邏輯光學(xué)運(yùn)算器的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了所有的19683個(gè)二元三值邏輯光學(xué)運(yùn)算器[4]。從此，可重構(gòu)三值光學(xué)處理器結(jié)構(gòu)進(jìn)入了研究階段。

3.3 三值光學(xué)計(jì)算機(jī)中采用 MSD 加法器

2009年底，金翊，沈云付等人建立了三值光計(jì)算機(jī)的MSD計(jì)數(shù)制[5]。MSD計(jì)數(shù)法中，加法運(yùn)算沒有進(jìn)位過程，而三值光學(xué)計(jì)算機(jī)有三個(gè)取值，可以取一個(gè)值做冗余， 進(jìn)行冗余二進(jìn)制計(jì)算。將充分發(fā)揮光學(xué)計(jì)算機(jī)的“三值”和“數(shù)據(jù)位數(shù)眾多”優(yōu)勢(shì)；同時(shí)為三值光計(jì)算機(jī)開發(fā)乘、除法例程和各類矩陣運(yùn)算例程打下了基礎(chǔ)。

3.4 實(shí)現(xiàn)了一個(gè)數(shù)千位三值光學(xué)處理器重構(gòu)電路

王宏健碩士在實(shí)驗(yàn)上證明了三值光學(xué)處理器的可重構(gòu)性，并通過一個(gè)數(shù)據(jù)位的人工操作方式給出了處理器重構(gòu)操作的具體步驟。隨后，研究團(tuán)隊(duì)又給出了幾種重構(gòu)方案，到 2014 年，歐陽(yáng)山博士和金翊教授等利用小規(guī)模 FPGA 芯片實(shí)現(xiàn)了一個(gè)數(shù)千位的三值光學(xué)處理器重構(gòu)電路[6]，同時(shí)設(shè)計(jì)了42 種基元的重構(gòu)命令。

3.5 建設(shè)了千量級(jí)應(yīng)用研究系統(tǒng)

2011年，上海大學(xué)自主研制了第一臺(tái)三值光學(xué)計(jì)算機(jī)-SD11，如圖2所示。SD11 中采用了歐陽(yáng)山博士和金翊教授共同完成的重構(gòu)電路并實(shí)現(xiàn)了運(yùn)算器控制電路。

3.6 三值光學(xué)計(jì)算機(jī)MSD迭代除法和實(shí)現(xiàn)

2015年，金翊，沈云付和徐群等人建立了三值光學(xué)計(jì)算機(jī)第一個(gè)除法例程的算法[7]。該算法依據(jù)三值光計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)位眾多，數(shù)據(jù)位可分組獨(dú)立使用和每位的計(jì)算功能可隨時(shí)配置，采用MSD二進(jìn)制并行加法器等特點(diǎn)，選用MSD迭代除法算法為數(shù)學(xué)模型；并對(duì)算法的例程的有效性通過模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了證實(shí)。

4 下一步的研究方向

三值光學(xué)處理器的按位分配和按位可重構(gòu)特性使得三值光學(xué)處理器的每一位計(jì)算功能都可以按照用戶要求實(shí)時(shí)重構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)了一種新類型的多用戶多任務(wù)并行處理方式。因此，三值光學(xué)計(jì)算機(jī)非常適合應(yīng)用于多用戶多任務(wù)并行處理、海量數(shù)據(jù)處理和大數(shù)據(jù)處理等研究領(lǐng)域。下一步將在以下兩個(gè)方面繼續(xù)對(duì)三值光學(xué)處理器重構(gòu)和控制策略深入研究。

4.1 千位乃至萬位可重構(gòu)光學(xué)處理器的重構(gòu)與控制策略與方法

在降值設(shè)計(jì)理論關(guān)于可重構(gòu)的推論，一位重構(gòu)三值光學(xué)處理器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、千位三值光學(xué)處理器基元重構(gòu)實(shí)驗(yàn)電路的設(shè)計(jì)等基礎(chǔ)之上，研究千位乃至萬位可重構(gòu)光學(xué)處理器的重構(gòu)與控制策略與方法。這些重構(gòu)與控制策略方法涉及如何有效地重構(gòu)處理器一個(gè)基元的功能來實(shí)現(xiàn)一位數(shù)據(jù)處理，如何選擇處理器數(shù)據(jù)位重構(gòu)成具有特定功能的處理器和如何確定重構(gòu)時(shí)機(jī)。

4.2 通用型處理器重構(gòu)策略與方法

利用現(xiàn)有的計(jì)算例程處理高效地重構(gòu)出新型計(jì)算例程的符合處理器的方法與策略，進(jìn)一步開發(fā)出通用型處理器重構(gòu)策略與方法。

5 總結(jié)

三值光學(xué)處理器作為三值光學(xué)計(jì)算機(jī)的核心部件，是三值光學(xué)計(jì)算機(jī)的實(shí)用化和三值光學(xué)計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的前提和保證。三值光學(xué)計(jì)算機(jī)研究者們一直致力于三值光學(xué)處理器數(shù)據(jù)位分配和重構(gòu)與控制，希望為三值光學(xué)計(jì)算機(jī)的高性能計(jì)算開辟方向。

參考文獻(xiàn)：

[1] Yan J Y， Jin Y， Zuo K Z. Decrease-radix design principle for carrying/borrowing free multi-valued and application in ternary optical computer. Sci China Ser F-Inf Sci，2008（51）：1415-1426.

[2] Jin Yi，Wang Xianchao，Peng Junjie，et al. Conceptual structure of ternary optical computer and high performance computer merger[C] / / Proceedings of theHPC China 2010. Beijing：CCF TCHPC，2010：1-4.

[3] 金翊，何華燦，艾麗蓉.進(jìn)位直達(dá)并行三值光加法器原理[J].中國(guó)科學(xué)，E 輯， 2004，34（8）：930-938.

[4] 嚴(yán)軍勇，金翊，左開中.無進(jìn)（借）位運(yùn)算器的降值設(shè)計(jì)理論及其在三值光計(jì)算機(jī)中的應(yīng)用[J].中國(guó)科學(xué)E輯：信息科學(xué)，2008，38（12）：2112-2122.

[5]金翊，沈云付，等.三值光學(xué)計(jì)算機(jī)中MSD加法器的理論和結(jié)構(gòu)[J].中國(guó)科學(xué)：信息科學(xué)，2011，41（5）：541-551.

[6]王宏健，金翊，歐陽(yáng)山.一位可重構(gòu)三值光學(xué)處理器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)，2014，37（7）：1500-1507.

[7]徐群，金翊，沈云付，等.三值光學(xué)計(jì)算機(jī)的MSD迭代除法算法和實(shí)現(xiàn)技術(shù)[J].中國(guó)科學(xué)：信息科學(xué)，2016，46（4）：539-550.

【通聯(lián)編輯：光文玲】