数字光学计算机.doc

如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流数字光学计算机【精品文档】第 12 页数字光计算机摘要：利用光计算固有的空间巨并行性、高频宽、无高频辐射和交叉干扰、灵活的空间互连和大容量信息存储等特性，弥补电子计算机的局限性，构建全光或者光电混合并行高性能计算机系统，可望满足军事、社会经济生活、科学研究等领域日益增长的海量计算需求。介绍了光计算、数字光计算机的研究现状，展望数字光计算机技术发展方向和困难。关键字：光计算；数字光计算机；并行；算法；体系结构0 引言随着半导体工艺、材料科学和网络技术的发展，为了提高基于硅技术的电子计算机计算性能，采用了大量新技术，如：使用新材料（如：GaAs）和新的半导体工艺提高硅芯片的集成度；开发能同时采用超过10万颗处理器的超级计算机，计算速度达到数Tflop/s，甚至Pflop/s；新型晶体管结构（如：半导体量子效应器件）；片上系统（SoC, System on Chip）；超线程技术；无时钟芯片（Clockless Chip）、网格计算（Grid Computing）和云计算(Cloud Computing)等等，电子计算机的性能有了很大的提高。但仍然难以满足军事（如：核聚变反应堆模拟和雷达信号处理）、社会经济生活（如：长期数值天气预报、地震等自然灾害预测、社会经济现象的大规模仿真、各种大型建筑工程设施的结构分析、空间遥感和数字海洋所需的海量数据统计分析）、企业（Internet通信、信息安全和大型数据库信息处理）、和科学研究（如:生物基因技术研究）等日益增长的海量计算需求。另一方面，由于电子计算机存在着因电子本性造成的固有局限性，如：冯诺曼瓶颈、互连带宽窄和时钟歪斜等问题，限制了其计算能力的进一步提高。而且，处理器集成度的提高和超级电子计算机中微处理器数量的增多，将大幅度提高系统的复杂度和功耗。同时，功耗增大使得系统的发热量急剧上升，将会威胁到电子计算机系统的运行稳定性和可持续性，最终将导致电子计算机的投入产出比严重下降，且缺乏足够的适用性。欧美等发达国家早已看出基于硅技术的电子计算机所面临问题的严重性，并视之为关系国家根本利益的战略性问题，投入大量的资金和人员进行包括量子计算、光计算/光电子计算和生物化学计算（包括DNA和分子计算）在内的各种新型“非硅”计算技术探索和研究1。而光计算具有先天的空间巨并行性、高频宽、无高频辐射和交叉干扰性、空间互连的柔性、大容量信息存储和光波特性（例如相位、偏振、波长）的高度可用性等2,3，正好可以弥补电子计算机的局限性，因此，光计算机将成为下一代超并行、超高速、新型“非硅”计算机的一个主要的研究方向。1 光计算发掘光学在计算方面的功能是现代光学研究中的一个很重要的研究领域，最早可追溯到上世纪五十年代的傅里叶光学，那时开始注意到一个简单凸透镜的傅里叶变换性质。在20世纪60年代初，美国密西根大学创造性地利用光学傅里叶变换方法，借助于凸透镜完成了综合孔径雷达数据处理实验，奠定了并行光学模拟信息处理的基础。这种光学模拟信息处理系统，用光强表示信息，可实现图像的加、减、乘、除、卷积和相关等模拟计算，具有可高速并行处理二维图像数据和信息量大的特点，可应用于模式识别和复杂图像处理等领域，充分显示了光计算的优势，缺点是精度低通用性差。20世纪60年代到70年代，随着激光和激光器出现和迅猛发展，开始了以激光为信息载体的信息处理研究。70年代后期，美国斯坦福大学提出透镜阵列的光学矩阵运算，以离散的模拟量计算为基础。为了提高光学计算的精度和通用性，引入数字计算技术成为理所当然，同时还必须保留光学计算所固有的并行处理能力。因此，科学家和工程师们已开始设想利用光学技术和光学器件设计和制造全新的数字光计算机。最早揭开数字光计算机研究序幕的是美国麻省理工学院的A·索克等人，他们在1969年发表了关于光学双稳态定性原理的第一篇论文，奠定了光开关器件的理论基础4-6。随着光学材料和光学器件在工艺和速度方面的突破性发展，20世纪80年代起，一个国际范围的数字光计算机研究热潮开始兴起，并正式使用“光计算”（Optical Computing）这个术语，开始数字光计算机的研究。一直到90年代后期，光计算和光计算机都是世界各国科学界顶礼膜拜的偶像，其中著名的研究机构有：国际上，美国的贝尔实验室、美国科罗拉多大学、英国瓦特大学、日本大阪大学等；国内，上海和西安光机所、天津大学、南开大学、浙江大学和吉林大学等。光计算的主要研究内容集中在以下几个方面：数字光（光电）计算器件、数字光计算的算法和结构、光互连、光通信、光存储、光联想存储和光神经网络、图像处理、光学模拟运算（主要是光学模式识别）和图像处理新方法（如：傅里叶分数变换、小波变换等）。这期间，光计算机研究者提出了一些光计算机的体系结构模型和数值运算算法，研制出光计算机所需的许多光学器件（如：自电光效应器件(Self Electrooptical Effect Device，SEED）、垂直腔面发射半导体激光器和实时空间光调制器等），开拓了光计算的一些应用领域（如：模式识别、图像处理和加密解密等），明确了光计算发展方向，即向光电混合方向发展，无论是计算系统还是器件都是如此7-11。从20世纪90年代末期开始，光计算机研究者遭遇到如下困难：首先，没有合适的光学多稳态（双稳态）开关器件。光子之间不容易发生相互作用，所以很难实现光子控制光子。如果采用光电光或电光电来控制，必然会降低速度和增加能耗。虽然利用一些材料的非线性光学效应能实现光子控制光子，但这些材料还不能在非线性系数和开关速度方面同时满足数字光计算机的建造逻辑门需求。第二，数字光学计算器件或尺寸大、或速度太慢、或是功耗太大，也难以满足光计算机的构建要求12,13。第三，没有能充分发挥光计算的空间巨并行能力、且简单易行的光计算体系结构。第四，没有合适的运算算法消除数值加减法运算中的进位/借位串行延时难题。因此，光计算和光计算机研究暂时进入低潮期。光计算研究的热点主要集中在自由空间光互连、基于非线性材料的全光逻辑门、和两维光学阵列器件（如：二维垂直空腔表面发射激光器VCSEL阵列等）等14-22,50-53。21世纪以来，随着集成光学与光子学、电子学、材料科学和半导体技术的发展，以及光纤通信、VCD和DVD光学存储、超级计算机内处理器间的光学互连和液晶显示等应用不断提高对光学器件要求，促进了光学器件质量(尺寸、速度和功耗等方面) 大大提高；同时，新材料的问世也为光学器件的研制开辟了新途径。近年来，光计算和光计算机研究又引起国内外学术界和工业界关注。2 数字光计算机正如现代电子数字计算机建立在冯诺依曼体系结构、布尔逻辑算法、基于硅的超大规模集成电路的基础上一样，发展并行数字光计算机也首先必须开发能够充分发挥光的空间巨并行性、高频宽、无干扰性的体系结构、数字逻辑和算术运算算法及并行光学功能器件。21 体系结构体系结构是并行数字光计算机能充分利用光的巨并行处理能力的基础。一般认为，并行数字光计算机的体系结构应具有如下特点：1）作为通用性光计算机，可以实现多功能的并行处理，而不同于单功能的光学信息处理系统；2）并行输入输出，可以得到大的传输容量，充分发挥光的并行性、高频宽和无干扰性；3）并行、柔性灵活的空间光学互连，不需要如同电子计算机那样的复杂结构；4）具有反馈系统，可进行重复运算且能解决光能损失问题；5）可编程处理，通过编程来改变互连方式，选择所需的运算模式。上世纪90年代以来，国内外光计算和光计算机研究机构报道了各自的数字光计算系统研究成果，按照光计算系统的结构可分为三类：第一类，比较明确提出数字光计算机体系结构，有代表性为：1）1986年，美国阿拉巴马州大学H.J.Caulfield，J.Gruninger等人在首次提出数字模拟混合双模式光计算机（Bimodal Optical Computer，BOC）23-25，它采用了光处理部件与电子计算机混合结构，用于求解线性代数方程、矩阵求逆、求矩阵的本征值及本征矢量。它利用光处理部件进行快速模拟计算，获得近似结果；再用电子数字计算机精确计算误差，放大误差，返回光计算部件再次计算以修正结果，反复上述过程，直至所得结果满足精度要求。这样的系统已经用于图象重建，以及计算矩阵的特征值和特征向量。2）1994年11月，美国科罗拉多大学的T. Main, R. J. Feuerstein等报道了世界首台存储程序式全光计算机（stored program optical computer, SPOC） 26 ，用光纤和光脉冲代替电线和电子信号、用光纤作主存贮器、基于确定信号传输时间的光同步控制机制和归零（RZ）编码，在结构上模仿电子计算机，包含存储子系统、指令寄存器、程序计数器、累加寄存器、算术运算单元和状态控制器等功能部件。基于光双稳态开关构造的逻辑门，采用串行数字运算方式，它能作条件转移，解简单的数学或布尔逻辑方程。它的数据宽度为16bits，时钟频率为50MHz。显然这台计算机的能力很小，无法与同时代的电子计算机相比，但它是计算机发展史上的里程碑，表明了光计算机是可行的。3）2001年中国上海大学计算机学院金翊教授提出了光电混合的三值光计算机（Ternary Optical Computer, TOC）27-29，它采用对称三进制数字系统，用两个偏振方向相互正交的有光态和无光态三种稳定状态表示三值信息；用多层液晶和检偏器完成三个物理状态间的转换，可实现数据空间编码、基于对称三进制数的算术运算以及三值逻辑运算；用检偏器和光电检测器阵列完成对运算结果的解码。它结构特点是光处理、电控制、电输入输出、光互连和传输。第二类，以图形符号逻辑为基础设计和实现的单指令多数据流（SIMD）逻辑与算术运算，构建光学处理器或光学信息处理系统。光具有天然的二维并行性，在光计算机中，光作为信息的载体，因此从整体结构上来说，信息在光计算机中也应表示为二维形式。由于图形图像也具有二维并行性，很自然地想到在光计算机中用图形符号表示信息，图形作为信息处理的基元。于是，光计算的研究者提出了许多图形符号逻辑来实现数字逻辑和算术运算，主要有：符号替换(Symbolic Substitution, SS)30,31、细胞阵列逻辑(cellular array logic, CAL)32、组合逻辑(combinatorial logic)33、光学并行阵列逻辑（optical parallel array logic, OPAL）34、二进制图像代数 (Binary image algebra, BIAP) 35,36和基于布尔偏振编码逻辑代数(Boolean Polarization encoded Logic Algebra, BPLA)37等。以图形符号逻辑为基础构建数字光学处理器或者光学信息处理系统时，首先要将数据转换为适合光学处理的二维图形形式，而图形中的每个单元数据也要用适合光学处理的数字系统来表示。比较具有代表性的基于图形符号逻辑光学处理系统为：日本大阪大学的光学并行阵列逻辑系统（optical-parallel array logic system, OPALS）40-48，它一种基于光学铸影 (optical shadow-casting, OSC) 38和OPAL原理的并行数字逻辑运算系统。主要功能是对输入图像进行数据符号化，并进行两维光学相关运算，以实现对两个二值图像中任意相邻象素间的逻辑运算操作。以基于光电离散相关器（DCP）39为核心的OPALS实验系统证实了它在并行图像处理、并行数值运算、数据库处理和计算机仿真等方面的应用可行性，整个运算过程完全按专用可编程语言进行处理。第三类，利用自由空间光互连和光全息技术，实现板间、芯片间和芯片内互连，构建光电混合并行高性能数字计算机49-53，结构特点是电处理、电控制、电数据输入输出、光电混合互连和传输，比较有代表性系统为：加利福利亚大学的Marsden等人提出Optical Transpose Interconnection System (OTIS)系统及其扩展模型49，在这个系统中电子处理器被分为多个处理器组，每个处理器组集成在一个芯片中，处理器之间通过组内的计算机网络互连（OTIS-Mesh or OTIS-Hypercube），处理器组之间通过自由空间光技术互连。最近，许多研究者基于OTIS开发很多应用算法，如：数据整理、路由、选择、排序、矩阵乘、图像处理和FFT算法等。2.2 算法有了合适的体系结构，还必须具有相应的逻辑和算术运算算法。首先，作为运算对象的数据应被表示为合理的数字形式，并能将要处理的数据表示为二维或三维阵列形式，其次要有能完成并行逻辑和算术运算算法，可实现单指令多数据流（SIMD）或多指令多数据流（MIMD）功能。逻辑与算术运算是数字计算机的基本运行机制。以二值布尔代数和开关电路（或开关光路）和逻辑门为基础的加法/减法运算存在的串行进位/借位问题，不能充分发挥光计算的空间巨并行性和单指令多数据流（SIMD）特性，加法/减法运算的光学实现必须是“有限进位”（carry-less），甚至是无进位（carry-free）的。因此，数字光计算机研究者提出了许多数字系统和算法，如：MSD（modified signed-digit）数、余数制、负二进制数、混合三进制和TSD（Ternary signed-digit）等，以及符号替换等技术，希望解决“串行进位/借位”难题。符号替换54,55技术已经被应用于光学实现无进位算术运算，但以复杂硬件和降低计算速度为代价。能够在有限步骤内“消除进位”的一些技术已经被提出56-62，如：高阶多输入改进型MSD数字系统、混合三进制系统和四进制数字系统、余数字系统及其改进型，但都存在一些限制条件，且当处理大量数据时，仍然存在大量串行进位。一些获取“有限进位”算术算法最近也被提出63-65，如：两步冗余二进制算法，它利用2的补码表示负数和256个替换规则，一步处理进位问题；基于数字分组、带符号位的三进制和四进制数字系统利用空间编码技术两步处理加法进位。上述提到的有限进位算术运算技术需要复杂空间编码和涉及多个步骤的替换规则。因此这些技术要么被大量处理时间，要么被数据空间编码的复杂性所限制。最近负二进制和对称三进制数字系统66-68又引起注意，这些系统不需要符号位或补码能够唯一表示正数和负数。负二进制有限进位算法是一种2步处理加法或减法、不需要符号替换的算法。同其他编码技术一样，当光学实现时，一些约束条件仍然会影响运算速度。综上所述，模仿电子计算机以二值（或三值）数字开关光路和光逻辑门为基础的数字光计算机中，通过算法很难有效地解决加减法的串行进位/借位问题。利用光在自由空间中高速、无干扰传输特性，通过物理光路巧妙设计实现消除串行进位/借位难题，可能是一个新思路。上海大学计算机学院金翊教授在三值光计算机研究中，提出用液晶构成“进位直达”通道29来克服进位串行延时原理，提出了以物理方式解决全加器进位延时难题的新思路。2.3 光学器件无论对哪种类型的光计算机，都必须研制具有相应的光学功能器件，尤其是二维并行阵列光学器件，如：LED阵列光源、光学多稳态器件（包括光学双稳态器件）、激光放大器、空间光调制器、微透镜阵列、全息衍射器件、光探测器阵列和光学存储器等，用以实现光信号发射、调制、放大、阈值、存储、输入输出、互连及接收等功能，这些光学器件是建造光计算机的物质基础。其中，并行液晶、自电光效应器件(SEED)、并行CMOS图像传感器和激光器阵列是最重要光学器件。光学器件的研究开发要侧重于集成化、高性能、尺寸标准化和具有可扩展性，并行高性能光学器件的开发将推动光计算机研究，反之，光计算机发展将促进新型并行光学器件的产生。3 展望未来从光计算和光计算机的发展历程来看，光计算机全面取代电子计算机的想法是不切实际的，国内外光计算机研究者比较一致的看法是：将光电相结合，利用光学的空间巨并行性、高频宽、无高频辐射和交叉干扰、高度空间柔性互连和大容量信息存储的特长弥补电子学不足，同时发挥电子学的可编程和控制能力强的优点，研制光电混合型专用并行高性能计算机，解决电子学无法完成实际问题。理想的光计算机有三类：基于光处理、光互连和传输、电控制和光电混合输入输出的通用数字光电混合计算机，以及基于高度空间互连的光学神经网络智能计算机。根据光计算、光计算机研究现状以及我们研究三值光计算机过程中遇到的问题，就个人观点，认为目前发展数字光计算机的困难在于：1）对构建以开关光路和逻辑门为基础的数字光计算机，尚未发现理想的光学双（多）稳态材料、研制出相应的光学器件，同时缺乏合适的消除“串行进位/借位”的方法；2）缺乏高质量并行二维光电器件阵列，如液晶空间光调制器、激光器阵列和光电探测器阵列等；3）光计算的体系结构和图形符号逻辑理论尚处于探索阶段。要解决上述问题，可以从下面三个方面去探索：首先，和光电子、半导体工业、物理、化学、生物和材料等领域的研究者协作研制新型并行二维光学器件；其次，在没有理想光学器件情况下，可以利用仿真、模拟和可视化计算69-70的方法研究数字光计算机；最后，根据图灵机理论，计算机的计算过程本质上是状态（信息）变换和传输过程，因此只要能满足如下条件就可以构建实现多种计算功能的计算机：两种（多种）稳定物理状态表示信息；用简单的器件能完成物理状态之间相互转换；在传输过程中物理状态保持不变；物理状态可存取。所以光计算和光计算机研究者可尝试提出全新的体系结构和算法。参考文献1Ahmed K. 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