三值光学处理器研究综述

陈丽萍 江家宝 刘拥

摘要：三值光学处理器是三值光学计算机的核心器件之一，它是光学运算的物理承载体，是一种光运算、电控制的新型处理器，其明显特点是处理器可重构、数据位众多易扩展。经过十余年的不懈努力，三值光学处理器的研究取得了丰富的研究成果。对三值光学处理器的研究进展进行了深入总结和分析，首先介绍三值光学处理器及其工作原理，整理已取得研究成果，最后分析三值光学处理器下一步的研究方向。

关键词：三值光学处理器；可重构；降值设计理论；MSD

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）25-0263-02

1 三值光学处理器

随着计算机不断应用在人们日常生活的各个方面，从简单的数据计算和处理，扩展到复杂的工业控制和科学研究数据处理，很大程度提高了生产效率。目前计算机的运算速度和性能仍在不断提高，但是面对人们解决复杂度高的问题要求的实时数据处理和算术运算，電子计算机日趋显露其发展极限。这是由于电子的本性限制着电子计算机的发展，一是电信号的辐射损耗限制着计算机各部件的通信速度；二是电子计算机位数的大幅度增加难以实现。因此人们不断研究各种新型的计算机，其中以光子取代电子，研究构造光学计算机吸引了更多专家和研发人员，并且已经取得了长足进展。因为光计算机最重要的两个优点：光传播时无辐射损耗和光束之间无须屏蔽；而这两点正是克服电子计算机的速度和位数的两个瓶颈。同时，不断创造出来的各种高质量光学器件为光计算机的诞生奠定了物质基础。

目前光学计算机研究有三个分支，其中一个分支是以计算机的基本原理来考察光的物理特征，寻找合适的光学特征和成熟的空间调制器，以现代技术（主要是电子计算机技术）为背景，研发能充分发挥光学优势的计算机，从发挥光学的个别优势逐步发展到发挥更多的光学优势。其中金翊教授等人提出的三值光学计算机体系结构，并经过随后十年的不懈研究，于2011年建成了千位三值光学计算机应用研究系统SD11以及后来的一系列核心技术研究。三值光学处理器是三值光学计算机的核心硬件之一，它是光学运算的物理承载体，是一种光运算、电控制的新型处理器。使用有光态的两个相互垂直的偏振方向和无光态来表达信息，三值光学处理器用液晶阵列控制光束的偏振方向， 配合偏振片来完成信息处理，由于液晶阵列在像素数量上的优势，所以三值光学计算机数据位数众多，而且很容易再扩展。依据降值设计原理，可随时根据用户需要，把光学处理器的任何部分构造成某个逻辑运算器。这也就是三值光学处理器的重构性 [1]。还可以通过拼接新的光学处理器使得三值光学计算机拥有更多的数据位数，处理数据更快。

2 三值光学处理器工作原理

目前，以作为三值光学计算机的核心器件-三值光学处理器，采用“光处理、电控制、以电子计算机为基础、逐步增加光学部件的构造策略[2] 来构建三值光学计算机。

三值光计算机的概念结构设计如图1所示，整个系统结构包括三个主要部分：控制系统、数据输入/输出系统和光学处理器部件。图中光学处理器部件的实线椭圆圈标识的部分就是三值光学处理器。图中输入/输出阵列与光学处理器部件间的粗线表示千位数据线，m通道数据输入服务器与各输入存储阵列的细线表示64位数据线，m通道数据输出服务器与各输出存储阵列的细线表示64位结果输出线，控制系统发出的线是控制线，包括对运算器的重构命令控制线和各个电子部件的控制线。

目前的三值光学计算机系统都是基于这个概念构建，系统的主要工作原理简述如下：首先，用户通过外部接口将任务提交给三值光计算机系统，命令被发送给控制系统，数据被发送入数据输入系统；其次，控制系统按照用户的命令生成对各部件的控制命令，①控制器向数据输入系统为用户输入数据申请数据通道，m通道数据输入服务器分配某个存储阵列，当输入存储阵列存满后，通过千位数据线将数据送入光学处理器部件中的编码器，之后输入数据存储阵列通知控制系统；②控制器对运算器发出运算器重构控制命令，运算器以三值运算高效地处理数据，接着把运算结果交给解码器；之后将结果输出给输出系统的某个输出存储阵列；最后，输出存储阵列收到计算结果后，通过某个64位结果输出线把结果送到m通道数据输出服务器，经过外部接口返回给用户。

3 已取得的重要研究成果

3.1提出了进位直达加法器思想

2004年，金翊，何华灿等人提出了用液晶构成进位直达并行通道，解决了三值光计算机的巨位数并行运算进位的串行延时难题，完善了三值光计算机加法器的原理[3]。

3.2 建立了降值理论

2006年，严军勇，金翊和左开中等人在设计百位量级三值逻辑光学运算器过程中，发现了降值设计规律-把运算基元排成阵列，再按照“设计规范”组合运算基元可随时构造一个对应的无进（借）位运算符。随后他们提出了三值逻辑光学运算器的降值理论和通用降值设计规范；并将其应用在三值逻辑光学运算器设计中，获得了令人满意的效果。最后设计实现了一个重构型三值逻辑光学运算器的实验系统，该系统实现了所有的19683个二元三值逻辑光学运算器[4]。从此，可重构三值光学处理器结构进入了研究阶段。

3.3 三值光学计算机中采用 MSD 加法器

2009年底，金翊，沈云付等人建立了三值光计算机的MSD计数制[5]。MSD计数法中，加法运算没有进位过程，而三值光学计算机有三个取值，可以取一个值做冗余， 进行冗余二进制计算。将充分发挥光学计算机的“三值”和“数据位数众多”优势；同时为三值光计算机开发乘、除法例程和各类矩阵运算例程打下了基础。

3.4 实现了一个数千位三值光学处理器重构电路

王宏健硕士在实验上证明了三值光学处理器的可重构性，并通过一个数据位的人工操作方式给出了处理器重构操作的具体步骤。随后，研究团队又给出了几种重构方案，到 2014 年，欧阳山博士和金翊教授等利用小规模 FPGA 芯片实现了一个数千位的三值光学处理器重构电路[6]，同时设计了42 种基元的重构命令。

3.5 建設了千量级应用研究系统

2011年，上海大学自主研制了第一台三值光学计算机-SD11，如图2所示。SD11 中采用了欧阳山博士和金翊教授共同完成的重构电路并实现了运算器控制电路。

3.6 三值光学计算机MSD迭代除法和实现

2015年，金翊，沈云付和徐群等人建立了三值光学计算机第一个除法例程的算法[7]。该算法依据三值光计算机数据位众多，数据位可分组独立使用和每位的计算功能可随时配置，采用MSD二进制并行加法器等特点，选用MSD迭代除法算法为数学模型；并对算法的例程的有效性通过模拟实验进行了证实。

4 下一步的研究方向

三值光学处理器的按位分配和按位可重构特性使得三值光学处理器的每一位计算功能都可以按照用户要求实时重构，从而实现了一种新类型的多用户多任务并行处理方式。因此，三值光学计算机非常适合应用于多用户多任务并行处理、海量数据处理和大数据处理等研究领域。下一步将在以下两个方面继续对三值光学处理器重构和控制策略深入研究。

4.1 千位乃至万位可重构光学处理器的重构与控制策略与方法

在降值设计理论关于可重构的推论，一位重构三值光学处理器的设计与实现、千位三值光学处理器基元重构实验电路的设计等基础之上，研究千位乃至万位可重构光学处理器的重构与控制策略与方法。这些重构与控制策略方法涉及如何有效地重构处理器一个基元的功能来实现一位数据处理，如何选择处理器数据位重构成具有特定功能的处理器和如何确定重构时机。

4.2 通用型处理器重构策略与方法

利用现有的计算例程处理高效地重构出新型计算例程的符合处理器的方法与策略，进一步开发出通用型处理器重构策略与方法。

5 总结

三值光学处理器作为三值光学计算机的核心部件，是三值光学计算机的实用化和三值光学计算机应用研究实验系统设计和实现的前提和保证。三值光学计算机研究者们一直致力于三值光学处理器数据位分配和重构与控制，希望为三值光学计算机的高性能计算开辟方向。

参考文献：

[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，何华灿，艾丽蓉.进位直达并行三值光加法器原理[J].中国科学，E 辑， 2004，34（8）：930-938.

[4] 严军勇，金翊，左开中.无进（借）位运算器的降值设计理论及其在三值光计算机中的应用[J].中国科学E辑：信息科学，2008，38（12）：2112-2122.

[5]金翊，沈云付，等.三值光学计算机中MSD加法器的理论和结构[J].中国科学：信息科学，2011，41（5）：541-551.

[6]王宏健，金翊，欧阳山.一位可重构三值光学处理器的设计与实现[J].计算机学报，2014，37（7）：1500-1507.

[7]徐群，金翊，沈云付，等.三值光学计算机的MSD迭代除法算法和实现技术[J].中国科学：信息科学，2016，46（4）：539-550.

【通联编辑：光文玲】