陳麗萍 江家寶 劉擁

摘要：三值光學(xué)處理器是三值光學(xué)計算機的核心器件之一，它是光學(xué)運算的物理承載體，是一種光運算、電控制的新型處理器，其明顯特點是處理器可重構(gòu)、數(shù)據(jù)位眾多易擴展。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。對三值光學(xué)處理器的研究進展進行了深入總結(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)計理論；MSD

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）25-0263-02

1 三值光學(xué)處理器

隨著計算機不斷應(yīng)用在人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€方面，從簡單的數(shù)據(jù)計算和處理，擴展到復(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。目前計算機的運算速度和性能仍在不斷提高，但是面對人們解決復(fù)雜度高的問題要求的實時數(shù)據(jù)處理和算術(shù)運算，電子計算機日趨顯露其發(fā)展極限。這是由于電子的本性限制著電子計算機的發(fā)展，一是電信號的輻射損耗限制著計算機各部件的通信速度；二是電子計算機位數(shù)的大幅度增加難以實現(xiàn)。因此人們不斷研究各種新型的計算機，其中以光子取代電子，研究構(gòu)造光學(xué)計算機吸引了更多專家和研發(fā)人員，并且已經(jīng)取得了長足進展。因為光計算機最重要的兩個優(yōu)點：光傳播時無輻射損耗和光束之間無須屏蔽；而這兩點正是克服電子計算機的速度和位數(shù)的兩個瓶頸。同時，不斷創(chuàng)造出來的各種高質(zhì)量光學(xué)器件為光計算機的誕生奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。

目前光學(xué)計算機研究有三個分支，其中一個分支是以計算機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)（主要是電子計算機技術(shù)）為背景，研發(fā)能充分發(fā)揮光學(xué)優(yōu)勢的計算機，從發(fā)揮光學(xué)的個別優(yōu)勢逐步發(fā)展到發(fā)揮更多的光學(xué)優(yōu)勢。其中金翊教授等人提出的三值光學(xué)計算機體系結(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)計算機應(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)計算機的核心硬件之一，它是光學(xué)運算的物理承載體，是一種光運算、電控制的新型處理器。使用有光態(tài)的兩個相互垂直的偏振方向和無光態(tài)來表達信息，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數(shù)量上的優(yōu)勢，所以三值光學(xué)計算機數(shù)據(jù)位數(shù)眾多，而且很容易再擴展。依據(jù)降值設(shè)計原理，可隨時根據(jù)用戶需要，把光學(xué)處理器的任何部分構(gòu)造成某個邏輯運算器。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)計算機擁有更多的數(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)計算機的核心器件-三值光學(xué)處理器，采用“光處理、電控制、以電子計算機為基礎(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)計算機。

三值光計算機的概念結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示，整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括三個主要部分：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)處理器部件的實線橢圓圈標識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)器與各輸入存儲陣列的細線表示64位數(shù)據(jù)線，m通道數(shù)據(jù)輸出服務(wù)器與各輸出存儲陣列的細線表示64位結(jié)果輸出線，控制系統(tǒng)發(fā)出的線是控制線，包括對運算器的重構(gòu)命令控制線和各個電子部件的控制線。

目前的三值光學(xué)計算機系統(tǒng)都是基于這個概念構(gòu)建，系統(tǒng)的主要工作原理簡述如下：首先，用戶通過外部接口將任務(wù)提交給三值光計算機系統(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)申請數(shù)據(jù)通道，m通道數(shù)據(jù)輸入服務(wù)器分配某個存儲陣列，當(dāng)輸入存儲陣列存滿后，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)存儲陣列通知控制系統(tǒng)；②控制器對運算器發(fā)出運算器重構(gòu)控制命令，運算器以三值運算高效地處理數(shù)據(jù)，接著把運算結(jié)果交給解碼器；之后將結(jié)果輸出給輸出系統(tǒng)的某個輸出存儲陣列；最后，輸出存儲陣列收到計算結(jié)果后，通過某個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提出了進位直達加法器思想

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

3.2 建立了降值理論

2006年，嚴軍勇，金翊和左開中等人在設(shè)計百位量級三值邏輯光學(xué)運算器過程中，發(fā)現(xiàn)了降值設(shè)計規(guī)律-把運算基元排成陣列，再按照“設(shè)計規(guī)范”組合運算基元可隨時構(gòu)造一個對應(yīng)的無進（借）位運算符。隨后他們提出了三值邏輯光學(xué)運算器的降值理論和通用降值設(shè)計規(guī)范；并將其應(yīng)用在三值邏輯光學(xué)運算器設(shè)計中，獲得了令人滿意的效果。最后設(shè)計實現(xiàn)了一個重構(gòu)型三值邏輯光學(xué)運算器的實驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)實現(xiàn)了所有的19683個二元三值邏輯光學(xué)運算器[4]。從此，可重構(gòu)三值光學(xué)處理器結(jié)構(gòu)進入了研究階段。

3.3 三值光學(xué)計算機中采用 MSD 加法器

2009年底，金翊，沈云付等人建立了三值光計算機的MSD計數(shù)制[5]。MSD計數(shù)法中，加法運算沒有進位過程，而三值光學(xué)計算機有三個取值，可以取一個值做冗余， 進行冗余二進制計算。將充分發(fā)揮光學(xué)計算機的“三值”和“數(shù)據(jù)位數(shù)眾多”優(yōu)勢；同時為三值光計算機開發(fā)乘、除法例程和各類矩陣運算例程打下了基礎(chǔ)。

3.4 實現(xiàn)了一個數(shù)千位三值光學(xué)處理器重構(gòu)電路

王宏健碩士在實驗上證明了三值光學(xué)處理器的可重構(gòu)性，并通過一個數(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，研究團隊又給出了幾種重構(gòu)方案，到 2014 年，歐陽山博士和金翊教授等利用小規(guī)模 FPGA 芯片實現(xiàn)了一個數(shù)千位的三值光學(xué)處理器重構(gòu)電路[6]，同時設(shè)計了42 種基元的重構(gòu)命令。

3.5 建設(shè)了千量級應(yīng)用研究系統(tǒng)

2011年，上海大學(xué)自主研制了第一臺三值光學(xué)計算機-SD11，如圖2所示。SD11 中采用了歐陽山博士和金翊教授共同完成的重構(gòu)電路并實現(xiàn)了運算器控制電路。

3.6 三值光學(xué)計算機MSD迭代除法和實現(xiàn)

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

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)處理器的每一位計算功能都可以按照用戶要求實時重構(gòu)，從而實現(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)計算機非常適合應(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方面繼續(xù)對三值光學(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)計與實現(xiàn)、千位三值光學(xué)處理器基元重構(gòu)實驗電路的設(shè)計等基礎(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)處理器一個基元的功能來實現(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)時機。

4.2 通用型處理器重構(gòu)策略與方法

利用現(xiàn)有的計算例程處理高效地重構(gòu)出新型計算例程的符合處理器的方法與策略，進一步開發(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)計算機的核心部件，是三值光學(xué)計算機的實用化和三值光學(xué)計算機應(yīng)用研究實驗系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)的前提和保證。三值光學(xué)計算機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)計算機的高性能計算開辟方向。

參考文獻：

[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.進位直達并行三值光加法器原理[J].中國科學(xué)，E 輯， 2004，34（8）：930-938.

[4] 嚴軍勇，金翊，左開中.無進（借）位運算器的降值設(shè)計理論及其在三值光計算機中的應(yīng)用[J].中國科學(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)計算機中MSD加法器的理論和結(jié)構(gòu)[J].中國科學(xué)：信息科學(xué)，2011，41（5）：541-551.

[6]王宏健，金翊，歐陽山.一位可重構(gòu)三值光學(xué)處理器的設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機學(xué)報，2014，37（7）：1500-1507.

[7]徐群，金翊，沈云付，等.三值光學(xué)計算機的MSD迭代除法算法和實現(xiàn)技術(shù)[J].中國科學(xué)：信息科學(xué)，2016，46（4）：539-550.

【通聯(lián)編輯：光文玲】