三值光計(jì)算機(jī)的基本思想

三值光計(jì)算機(jī)的基本思想

光機(jī)最重要的兩個優(yōu)點(diǎn)是無輻射損失，并且在傳播過程中不需要隔離。在這兩點(diǎn)上，常用短語克服計(jì)算機(jī)的數(shù)量和速度之間的瓶頸。因此，光計(jì)算機(jī)的研究引起了人們的注意，尤其是“光互聯(lián)電腦化”計(jì)算機(jī)已成為世界先進(jìn)國家的主要投資研究熱點(diǎn)。據(jù)網(wǎng)站于2009年9月1日報道:英國皇后學(xué)院和倫敦帝國理工學(xué)院于當(dāng)日啟動了600萬英鎊的突破性潛在應(yīng)用研究項(xiàng)目,其中之一正是近年來受人矚目的投資研究的熱點(diǎn)———研究利用光處理大量數(shù)據(jù)的光計(jì)算機(jī)。國內(nèi)在光計(jì)算機(jī)的研究上起步雖晚于美、日等發(fā)達(dá)國家,也不乏新成果見諸報道。2000年一種全新的光計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)———三值光學(xué)計(jì)算機(jī)(TernaryOpticalComputer,TOC)[1]出現(xiàn),經(jīng)歷了十余數(shù)年艱苦研究,三值光計(jì)算機(jī)理論已經(jīng)豐富,實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)也已建立。1控制命令控制線的設(shè)計(jì)三值光計(jì)算機(jī)概念結(jié)構(gòu)如圖1所示,整個系統(tǒng)包括3個主要部分:控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)輸入/輸出系統(tǒng)(包括存儲器系統(tǒng))和光學(xué)處理部件———三值邏輯光學(xué)處理器。圖中粗的數(shù)據(jù)線表示千位數(shù)據(jù)線,細(xì)的數(shù)據(jù)線表示64位數(shù)據(jù)線,控制系統(tǒng)發(fā)出的單線是控制線,其中包括對運(yùn)算器發(fā)出重構(gòu)命令的控制線。目前的三值光計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)都按照這個概念構(gòu)建,其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(jì)算機(jī)系統(tǒng),命令發(fā)送給控制系統(tǒng),運(yùn)算數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng);其次,控制系統(tǒng)生成相應(yīng)的數(shù)據(jù)控制命令和運(yùn)算控制命令,數(shù)據(jù)控制命令控制運(yùn)算數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)為光學(xué)處理部件輸入數(shù)據(jù),運(yùn)算控制命令則是對重構(gòu)型邏輯運(yùn)算器發(fā)送重構(gòu)命令,構(gòu)成本次運(yùn)算所需的運(yùn)算器類型;之后光學(xué)處理部件完成運(yùn)算;最后,運(yùn)算結(jié)果通過數(shù)據(jù)輸出系統(tǒng)輸出,經(jīng)外部接口返回給用戶。其中,三值光計(jì)算機(jī)的光學(xué)處理部件———三值邏輯光學(xué)處理器的基本工作流程是:光源發(fā)出的自然光通過編碼器,編碼器根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)把自然光調(diào)制成表示數(shù)據(jù)信息的三態(tài)光,輸入三態(tài)光經(jīng)過運(yùn)算器的處理(計(jì)算)后輸出相應(yīng)的三態(tài)光信息,輸出三態(tài)光由解碼器解碼后得到電信號數(shù)據(jù)送給輸出端輸出(顯示)。2獲得的研究三值光計(jì)算機(jī)自提出以來在理論和實(shí)驗(yàn)上取得了一系列的進(jìn)展和成果,其理論雛形與樣機(jī)輪廓日益清晰,發(fā)展歷程如圖2所示。2.1建立了三值光計(jì)算機(jī)的基本理論框架2000年,金翊博士開創(chuàng)了三值光計(jì)算機(jī)的研究。2002年在他的博士論文中正式提出了三值光計(jì)算機(jī)原理和光電混合結(jié)構(gòu),建立了三值光計(jì)算機(jī)理論體系的雛形,構(gòu)造了三值光計(jì)算機(jī)的總體結(jié)構(gòu)和主要部件的光學(xué)結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)了由泛邏輯學(xué)生成的三值邏輯運(yùn)算的實(shí)現(xiàn)光路。同時還創(chuàng)建了算位、算道的概念,并據(jù)此建立了光計(jì)算機(jī)巨位數(shù)管理思想萌芽和基本策略,指出了光計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)應(yīng)有的特點(diǎn)。并且試圖把三值光計(jì)算機(jī)理論推廣到了光纖通信領(lǐng)域,提出一種利用三值光信號進(jìn)行光纖通信的想法,及其實(shí)現(xiàn)方案的雛形概念。2.2本文提出了直接注入位置和工具的基本思想2004年8月,金翊、何華燦等人提出了進(jìn)位直達(dá)并行三值光計(jì)算機(jī)加法器的基本原理2.3rnaras軟件在三值光計(jì)算機(jī)中的應(yīng)用2006年,團(tuán)隊(duì)首次將平衡三進(jìn)制(BalancedTernary)的數(shù)值表示及其運(yùn)算方法引入了三值光計(jì)算機(jī),為研究和實(shí)現(xiàn)三值光計(jì)算機(jī)的各種算術(shù)運(yùn)算部件提供了數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)。同年,碩士研究生蔡超等人設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于平衡三進(jìn)制的半加器2.4開展三值光計(jì)算機(jī)編碼和解碼器的實(shí)驗(yàn)研究2004年,碩士研究生嚴(yán)軍勇和孫浩利用分離光學(xué)元件進(jìn)行了三值光計(jì)算機(jī)一位與九位的編碼器和解碼器的實(shí)驗(yàn)研究2006年,碩士研究生黃偉剛、包九龍分別了利用兩塊液晶陣列和偏振片構(gòu)成三態(tài)光編碼器以及用單片機(jī)作為液晶陣列控制端的方法2.5三段光計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)存儲研究2007年,博士研究生左開中探討了偏振光數(shù)據(jù)存儲問題,提出了一種基于細(xì)菌視紫紅質(zhì)薄膜的三值偏振全息數(shù)字光學(xué)存儲方法2.6開展三值光計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)位管理的研究2007年,針對三值光計(jì)算機(jī)的高數(shù)據(jù)寬度(數(shù)據(jù)位數(shù)),在已經(jīng)提出的4項(xiàng)數(shù)據(jù)位管理策略以及算位、算道、算位類型、算道類型等概念的基礎(chǔ)之上,金翊教授進(jìn)一步豐富和具體化了高數(shù)據(jù)寬度管理的基本策略,對三值光計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)做出了最初的規(guī)劃2.7降值設(shè)計(jì)理論2007年,博士研究生嚴(yán)軍勇萌發(fā)了尋找三值光學(xué)處理器構(gòu)造上的最基本單元的想法,并進(jìn)行了最早期的研究,取得了最初的成果。后來金翊教授,嚴(yán)軍勇和左開中博士生圍繞著這項(xiàng)工作,經(jīng)過近一年的深入研究,發(fā)現(xiàn)了降值設(shè)計(jì)規(guī)律,并從該規(guī)律中抽取出降值設(shè)計(jì)理論(Decreased-RadixDesignPrinciple,DRDP),將其應(yīng)用在于三值光計(jì)算機(jī)的三值邏輯光學(xué)運(yùn)算器的設(shè)計(jì)上,取得了令人滿意的成果;設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了重構(gòu)型三值邏輯光學(xué)處理器的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),該系統(tǒng)可直接實(shí)現(xiàn)全部19683種二元三值邏輯函數(shù)2.8開展三值光計(jì)算機(jī)的應(yīng)用研究2008年,利用三值邏輯光學(xué)處理器的并行性,巨位數(shù)特性以及可重構(gòu)特性開展在各種計(jì)算技術(shù)上的應(yīng)用研究,作者研究了基于三值光計(jì)算機(jī)的光學(xué)向量矩陣乘法的實(shí)現(xiàn)3降值設(shè)計(jì)理論在多值光計(jì)算機(jī)中的應(yīng)用目前已完成的三值光計(jì)算機(jī)研究主要有:在三值光計(jì)算機(jī)基本原理和光電混合結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上建立了三值光計(jì)算機(jī)理論體系的雛形;構(gòu)造了三值光計(jì)算機(jī)的總體結(jié)構(gòu)和主要部件的光學(xué)結(jié)構(gòu);找到多值邏輯運(yùn)算器的降值設(shè)計(jì)規(guī)律并提煉出降值設(shè)計(jì)理論;在降值設(shè)計(jì)理論的指導(dǎo)下設(shè)計(jì)完成了三值邏輯光學(xué)處理器。巨大的位數(shù)優(yōu)勢與潛在的性能提升空間顯示出三值光計(jì)算機(jī)必將成為處理復(fù)雜問題的有力工具。下一步將在以下4個方面繼續(xù)對三值光計(jì)算機(jī)深入研究:3.1光學(xué)可重構(gòu)處理器在降值設(shè)計(jì)理論的指導(dǎo)下已經(jīng)完成了百位三值光計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),下一步進(jìn)行并行液晶的研制,充分發(fā)揮光學(xué)計(jì)算方法的巨位數(shù)優(yōu)點(diǎn),在百位三值光計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)一個擁有數(shù)千位數(shù)據(jù)寬度的光學(xué)可重構(gòu)處理器;并以該處理器為核心構(gòu)建出具有一定實(shí)用意義、可用于評估的三值邏輯光學(xué)運(yùn)算系統(tǒng)。對于三值光計(jì)算機(jī)的研究來說,這項(xiàng)研究具有非常重要的意義,目前正在進(jìn)行中。3.2加法器并行運(yùn)行理論2008年開始建造無進(jìn)(借)位千位并行運(yùn)算三值邏輯光學(xué)可重構(gòu)處理器,然而三值光學(xué)處理器中還沒有加法器,這阻礙了光學(xué)計(jì)算機(jī)在數(shù)值計(jì)算領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,所以,研究適合于三值光計(jì)算機(jī)的加法器就成為當(dāng)前的研究任務(wù)之一。目前的研究思路有:一,構(gòu)建數(shù)百個小位數(shù)(如4位的數(shù)據(jù))加法器并行運(yùn)行的理論和技術(shù)。二,研究設(shè)計(jì)一個巨位數(shù)(如1000位的數(shù)據(jù))光學(xué)加法器,以此奠定新的機(jī)器計(jì)算理論和技術(shù)基礎(chǔ)。這項(xiàng)研究對于實(shí)現(xiàn)光計(jì)算機(jī)的算術(shù)運(yùn)算具有重要意義。3.3計(jì)算機(jī)平均數(shù)據(jù)個數(shù)光的互不干擾性使光學(xué)計(jì)算方法具有空間巨并行性,這意味著光學(xué)計(jì)算機(jī)將擁有成千上萬的數(shù)據(jù)位數(shù),因此可以很方便地計(jì)算有千百位的大數(shù)據(jù),或同時計(jì)算很多個普通數(shù)據(jù),這是電子計(jì)算機(jī)無法媲美的。但同時也提出了電子計(jì)算機(jī)尚無需考慮的位數(shù)管理問題。目前金翊教授已提出了管理光學(xué)計(jì)算機(jī)眾多數(shù)據(jù)位數(shù)的基本思想和策略,碩士研究生詹小奇和張趙云進(jìn)行了單用戶單任務(wù)模型的合理數(shù)據(jù)位資源分配的研究,該研究將為三值光學(xué)計(jì)算機(jī)多用戶多任務(wù)數(shù)據(jù)管理建立核心技術(shù)。下一步將繼續(xù)研究動態(tài)位數(shù)管理策略,以提高分配、回收數(shù)據(jù)位的效率,進(jìn)一步優(yōu)化管理策略。3.4對三值邏輯光學(xué)處理器應(yīng)用的探討2007年在降值設(shè)計(jì)理論的指導(dǎo)下實(shí)現(xiàn)了三值邏輯光學(xué)處理器,并完成了以該處理器為核心器件的三值光計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。雖然該系統(tǒng)僅為實(shí)驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng),尚不能成熟應(yīng)用于解決科學(xué)計(jì)算、工程實(shí)踐等問題,但是這并不妨礙開展適合該系統(tǒng)的應(yīng)用預(yù)研。三值邏輯光學(xué)處理器采用二維平面信息處理方式,具有獨(dú)特的優(yōu)勢:擁有巨大數(shù)據(jù)位數(shù)、可重構(gòu)的邏輯運(yùn)算能力、實(shí)現(xiàn)三值的運(yùn)算特性等。因此完全可以尋找適合該光學(xué)處理系統(tǒng)的應(yīng)用點(diǎn),深入挖掘能夠充分發(fā)揮該系統(tǒng)各種優(yōu)勢特性的應(yīng)用研究。這種研究成果將在千位可重構(gòu)三值邏輯光學(xué)處理器研究成