SD16的三值逻辑光学运算器理论和结构_金翊.pdf

第 5 期2023 年5 月电子学报ACTA ELECTRONICA SINICAVol.51 No.5May 2023SD16的三值逻辑光学运算器理论和结构金翊1，张红红1，2，陈迅雷1，王舒欣1，欧阳山1，沈云付1，江家宝1，3（1.上海大学计算机工程与科学学院，上海 200444；2.河南牧业经济学院信息工程学院，河南郑州 450044；3.巢湖学院信息工程学院，安徽巢湖 238000）摘要：为推进三值光学计算机产业化应用，同时提高现有运算器的效率和稳定性，本文论述了三值逻辑光学运算器（Ternary Optical Logic Unit，TOLU）的相关理论、工作原理和实际结构依据降值设计理论，设计了基元特征结构，优化后形成了简洁的TOLU的光路和电路结构，并以制作成功的TOLU为核心，建成三值光学计算机原型系统SD16在此基础上，提出了运算器实现18种三值逻辑运算基元的重构方法及重构码生成的创新思想，分析了复合运算基元的重构码，建立了复合运算基元与行运算器的关联，解决了任意三值逻辑运算器重构码生成的关键技术难题实验表明，SD16的三值逻辑光学运算器的构造理论和结构切实可行，运算结果准确，运行稳定可靠，同时验证了三值光学运算器位数众多、按位可分配、按位可重构的优势关键词：三值光学计算机；三值逻辑运算器；基元特征结构；重构码；运算基元；降值设计理论基金项目：国家自然科学基金（No.61572305）；上海市科委自然基金（No.15ZR1415400）；安徽省教育厅自然科学基金（No.KJ2020A0681）中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：0372-2112(2023)05-1154-09电子学报URL:http:/DOI:10.12263/DZXB.20221096Theory and Structure of Ternary Optical Logic Unit of SD16JIN Yi1,ZHANG Hong-hong1,2,CHEN Xun-lei1,WANG Shu-xin1,OUYANG Shan1,SHEN Yun-fu1,JIANG Jia-bao1,3（1.School of Computer Engineering and Science，Shanghai University，Shanghai 200444，China;2.School of Information Engineering，Henan University of Animal Husbandry and Economy，Zhengzhou，Henan 450044，China;3.School of Information Engineering，University of Chaohu，Chaohu，Anhui 238000，China）Abstract:In order to promote the industrialization and application of ternary optical computer,and improve the efficiency and stability of the existing operator unit,this paper proposes the theory,principle,and structure diagram of ternary optical logic unit(TOLU).According to decrease-radix design theory,the primitive characteristic structure is designed,and the optimization results in a simple TOLU optical path and circuit structure.With the successful production of TOLU as the core,ternary optical computer prototype system,SD16,is built.On this basis,we expound an innovative idea of the reconfiguring method for 18 kinds of ternary logic operation primitives and generating reconfigurable codes.The reconfigurable codes of compound operation primitives are analyzed,and the correlation between compound operation primitives and row calculator is established.The key technical problems of generating reconfigurable codes of any ternary logic unit are solved.The experimental results show that the construction theory and structure of the TOLU of SD16 are feasible,calculation results are accurate,the operation is stable and reliable.Furthermore,the advantages of ternary optical calculator are verified that it supports multi-bits calculation,can be allocated by bit and can be reconfigurable by bit.Key words:ternary optical computer;ternary logic unit;primitive characteristic structure;reconfiguring code;operation primitives;decrease-radix design theoryFoundation Item(s):National Natural Science Foundation of China(No.61572305);Natural Fund of Shanghai Municipal Science and Technology Commission(No.15ZR1415400);Natural Science Foundation of Anhui Provincial Department of Education(No.KJ2020A0681)收稿日期：2022-09-27；修回日期：2023-01-12；责任编辑：覃怀银第 5 期金翊:SD16的三值逻辑光学运算器理论和结构1引言上世纪40年代，光学计算机与电子计算机相继开始研究1，但随着半导体技术的成功，电子计算机风靡全球，而光学计算机没能走出实验室2000年前后，电子运算器发展到64位就触及到硬件计算能力提升的天花板，于是各种非电性运算器的研究受到高度重视为突破电子处理器硬件不能做多值逻辑运算之束缚，获得能力更优的计算工具，三值光学计算机（Ternary Optical Computer，TOC）原理和基本结构被提出随着TOC的不断发展，SZG（San Zhi Guang）文件2、三值光学计算机编程平台3及任务管理软件4等技术相继诞生，FFT（Fast Fourier Transformation）5、并行人工蜂群算法6、元胞自动机7、小波变换8、哈达玛变换9等多种能发挥三值光学计算机优势的算法和应用不断涌现三值光学计算机是一种“光运算、电控制”的光电混合型计算机，文献 10 在阐明三值光学计算机原理的基础上，设计了第一代TOC的结构.TOC的核心是三值逻辑光学运算器（Ternary Optical Logic Unit，TOLU）.2007年三值光学计算机研究取得了决定性成果，建立了构造多值逻辑运算器的基本理论降值设计原理和技术 11，给出用18种最简单三值逻辑运算单元构建可重构三值逻辑运算器的理论和方法.文献 12 对TOLU的最简单运算单元进行了细致的实验研究，证明了TOLU的可重构性.文献 13设计了千位三值逻辑光学处理器的结构，并进行了初步实验.文献 14 完成了TOLU控制电路的设计和实现，为TOC向实用机型迈进奠定了坚实基础.团队综合已有的各种研究成果和技术，在2016年设计并推出了SD16系统，迄今已经制作SD16原型机8台，它们都能稳定运行，为大众体验TOLU位数众多、按位可重构、可分割、可拼接和MSD（Modified Signed-Digit）数字并行加法器等特征提供了良好的实物系统.本文首次公开SD16的三值逻辑光学运算器之设计理论和结构，以馈关注三值光学计算机研究的学者和大众按照本文给出的技术，只需很小投入，有兴趣的读者即可构造自己的TOLU，进而构造三值光学计算机.2TOLU的设计原理构造运算器的准则是用自身稳定、且可以用简单方法进行变换的物理状态来表达信息，用变换物理状态的器件构造运算器用这一准则考察光的物理特性，可以看到：无光态和偏振方向正交的两个偏振光态适合在光学计算机中表达信息为叙述方便，称有光态分别为垂直偏振态和水平偏振态，分别用V和H来标识，并用W标识无光态2003年作者在理论和实验上给出了这种光学运算器的工作原理和基本结构，由于它用三个光状态表达三值信息并完成三值逻辑运算，被称为TOLU三值逻辑运算有333=19683种，独立构造出每一种三值逻辑运算器在实际中不可行转机出现在 2006年，严军勇博士和本文作者发现了构造多值逻辑运算器的“降值设计规律”，并在2007年建立了相应理论.按照标准步骤从 18种最简单三值逻辑光学运算单元（简称为运算基元）中选择出不超过6个，再将选出的运算基元输出的光信号叠加起来，就构造出任一种两输入TOLU降值设计理论把构造出全部TOLU这一不可能实现的任务，简化为构造出18种运算基元，它们是图1所示基元特征结构的不同实例.图1中细实线表示电信号，粗虚线表示光信号，点划线方框中为光信号发生器或输入数据编码寄存器图1有一个输出三态光信号C和两个输入三态光信号A与B，A输入主光路，B输入控制光路，其基本工作原理可概括成：B信号控制主光路上的光状态变换器来改变A信号的物理状态形成输出光信号C.从图1重构出的18种运算基元有三个主要差别：（1）主光路中旋光器LC（包括L0和L1）在常态时有旋光功能或无旋光功能为适应不同运算基元对 LC常态性能的不同要求，图1中用常态时（控制端k=0）有旋光功能的旋光元件L0和常态时不具有旋光功能的旋光元件L1串联成旋光器LC控制光路上的光电转换器G的输出信号用两个光开关Y0和Y1控制，用寄存器Rcg的k1位控制Y0和Y1的通断，进而控制L0或L1工作，适用于要求LC在常态有旋光功能的运算基元反之，适用于要求LC在常态没有旋光功能的运算基元（2）偏振片P1、P2和P3的偏振方向取向不同为适应不同运算基元对偏振片空间取向的不同要求，图1中把四个相同旋光元件合在一起构成LC，四个旋光元件两侧的偏振片 P1和 P2的偏振方向分别放置为水平（H光可通过，V光被吸收，下文用h标示水平方向）和竖直（V光可通过，H光被吸收，下文用v标示垂直方向）取向，四个LC用Rcg的k2和k3位寻址（寻址电路在图1CD4-C*YP1L0 L1LCABG GCCkY0Y1C03k0D#k1a0P2Rcgk2k3k4k0k1P3C*CD4-a1b0b1图1TOLU基元特征结构原理示意图1155电子学报2023 年中略去）；并用两