JPH03164816A

JPH03164816A - 情報処理装置

Info

Publication number: JPH03164816A
Application number: JP1303628A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Hisama; 和生久間; Shuichi Tai; 田井　修市; Masanobu Takahashi; 正信高橋
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1989-11-22
Filing date: 1989-11-22
Publication date: 1991-07-16
Also published as: US5448749A

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野Ｊこの発明は、ニューロコンピュータのような柔軟な情報
処理あるいはコネクションマシンのような多機能情報処
理を行う装置を集積化した情報処理装置に関するもので
ある。

〔従来の技術］第１Ｏ図は例えば電子情報通信学会、光・量子エレクト
ロニクス研究会資料　０ＱＥ８７−１７４　（１９８８
）、　ｐｐ、３９−４５に示された従来の情報処理装置
の構成を示した図であり、図において、ｌは不完全情報
を入力する情報入力部、２ａ、２ｂは前記不完全情報の
それぞれの成分に各要素を対応させた発光ダイオード　
アレイ（以下、ＬＥＤアレイという）、３ａ、３ｂは各
成分が一又は二辺上の蓄積情報（透過率として蓄積され
る情報）を有する光学マスク、４ａ、４ｂは前記光学マ
スク３ａ、３ｂでのマトリクス演算結果のそれぞれの成
分に各要素を対応させた受光素子アレイ（以下、ＰＤア
レイという）、５は前記ＰＤアレイ４ａ、４ｂの差をと
る差動増幅器、６は前記差動増幅器５の出力にしきい値
処理をする比較器、７は完全情報（マトリクス演算によ
り得られる修正結果）を出力する情報出力部である。

次に動作について説明する。

情報入力部ｌは不完全情報を入力すると、ＬＥＤアレイ
２ａ、２ｂ及び情報出力部７に出力し、この出力が完了
すると次回の入力まで停止する。

ＬＥＤアレイ２ａ、２ｂは入力された情報の各成分に各
要素が点燈するか消煙するかに対応して、１あるいは０
の状態を表わす入力ベクトルＶ＝（Ｖ　ｌ、Ｖｓ　、・
”、ＶＪ、＝・、Ｖｈ　）、とし”ｃ、扇状の光を光学
マスク３ａ、３ｂに照射する。

光学マスク３ａ、３ｂはｎｘｎの要素に分けられており
、その各要素の光透過率が異なっている一種のマトリク
スＴ＝［Ｔｉｊｌを表わし、ＰＤアレイ４ａ、４ｂの出
力はこのマトリクスＴを透過した情報の出力ベクトルＵ
＝　（Ｕｌ、Ｕｓ　、・・・Ｕ、、・・・Ｕｎ）を表わ
している。ＬＥＤアレイ２ａ、２ｂの５番目のＬＥＤで
光学マスク３ａ、３ｂのｊ行目をそれぞれ照射し、光学
マスクのｉ列目の光をＰＤアレイ４ａ、４ｂの１番目の
ＰＤで受けると、Ｕ、＝ΣＴｉｊＶｊ　　　　　　　　　　　・・・　（
１）なるベクトル、マトリクス演算が行える。

ニューロコンピュータでは各ニューロン間の結合強度に
情報を蓄積している。この光連想ニューロンコンピュー
タでは光学マスクの透過率Ｔに過去の複数の情報を蓄積
している。その情報蓄積規則はＨｏｐｆｉｅｌｄモデル
に基づいたものであり、Ｔ　ｉｊ＝Σ（２Ｖｉ（ｓ）　−１）　　（２Ｖｊ（ｓ
）−１）・−（２）Ｓ：蓄積情報数で与えられる。このニューロコンピュータではＴｉｊは
正値、負値ともとり得るが、光学的に負値は扱えないた
め、第１Ｏ図に示すようにマトリクスＴｉｊの成分の正
値Ｔ　ＩＪ　”’　ｓ負値７ｉｊ４−１に対応して（以
下、正値７１ｊＯ）を光学マスク３ａの透過率とし、負
値７１ｊ１−１　を光学マスク３ｂの透過率とする）、
光学系を２系統とすることで前記第（１）式のマトリク
ス演算の出力ベクトルＵｉ”’　　（ＰＤアレイ４ａの
出力ベクトル）、Ｕｉ”　　（ＰＤアレイ４ｂの出力ベ
クトル）を作製し、その差ＬＩｉ＝Ｕｉ”ラーＵ１１−１　　　　　・・・（３）
を差動増幅器５で得ている。

この出力信号を比較器６でしきい値処理Ｖｉ’　＝θ（
Ｕｉ）　　　　　　　　・・・（４）但し、した後、この新たな入力ベクトルＶｉ’１ＬＥＤアレイ
２ａ、２ｂにフィードバックするとともに、情報出力部
７に出力している。

このようにすると、例えば光学マスク３ａ。

３ｂにアルファベットＡ、Ｊ、Ｈに相当する３種類の情
報を予め蓄積しておけば、最初にＬＥＤ２ａ、２ｂに不
完全な情報、例えばＡ′を入力しても、フィードバック
を繰り返すうちに、その出力は入力情報へ゛に最も近い
情報Ａを完全出力として表示する。

換言すれば、系のエネルギが蓄積情報Ａ、Ｊ。

Ｅで極小値を取り、不完全情報が与えられると、その近
くのエネルギ極小値を取るように（不完全情報に最も近
い蓄積情報をとるように）系全体が変化して行く（発光
ダイオード２ａ、２ｂアレイの点滅状態を変化させるこ
とによる）ということである。

ｆ発明が解決しようとする課題】従来の情報処理装置は以上のように構成されているので
、比較器等の電子回路は外付けする必要があり、単機能
の装置だけで規模が大きくなり、問題解決に柔軟に対応
する大規模な装置の構築が困難となるなどの課題があっ
た。

この発明は上記のような課題を解消するためになされた
もので、問題解決に柔軟に対応できる豊富な機能を有し
、かつコンパクトに構成した情報処理装置を得ることを
目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

この第１の請求項に係る情報処理装置は、同一半導体基
板上に層状に構成した光学的ベクトルマトリクス乗算器
及びその周辺回路からなる演算部を、一又は二辺上構成
し、それぞれをバスラインで結合するか、あるいはこの
半導体基板上に構成される光学的ベクトルマトリクス乗
算器と一又は二辺上の他装置とをバスラインで結合し、
−枚に半導体基板上で問題解決に柔軟に対応する豊富な
機能を実現したものである。

また、第２の請求項に係る情報処理装置は、又は二辺上
の機能を有する所定の回路部及びＰＤアレイを設け、該
半導体基板の裏面に面発光半導体レーザか、ＬＥＤアレ
イ及び空間光変調素子（以下、ＳＬＭという）を設けて
裏面から光情報を伝送させるか、あるいは使用する光の
波長で透過可能となる半導体基板の片面に一又は二辺上
の機能を有する所定の回路部及びＰＤアレイを設け、さ
らに同一面にＬＥＤアレイ及びＳＬＭを設けて他面方向
へ光情報を伝送させ、各半導体基板間の情報伝送を行う
ようにしたものである。

〔作用〕

この第１及び第２の請求項における情報処理装置は一又
は二辺上の演算部をバスラインで結合し、同一半導体基
板上に構成するか、あるいは該半導体基板間での光情報
の伝送を可能にしたので、問題解決に柔軟に対応するた
めの豊富な機能を有する情報処理装置をコンパクトに構
成することができる。

〔発明の実施例〕

以下、この発明の実施例を図について説明する。

第１図はこの発明の一実施例による演算部３６の構成を
示したブロック図であり、図において、９は贋状構造の
光学的ベクトルマトリクス乗算器。

１０はＰＤアレイのプリアンプ、１１は前記ＰＤアレイ
のプリアンプ１０の出力にしきい値処理をする比較器、
１２は各種演算及び周辺回路制御を行うＣＰＵ、１３は
メモリ、１４は前記光学的ベクトルマトリクス・乗算器
９内に層状に形成されたＬＥＤアレイのＬＥＤ駆動回路
、１５は前記光学ベクトルマトリクス乗算器９内に層状
に形成されたＳＬＭアレイのＳＬＭ駆動回路であり、例
えばＳｉウニ八への半導体基板８上に構成される。

第２図はこの発明における光学的ベクトルマトリクス乗
算器９の具体的構成を示す斜視図であり、図において、
１６はＰＤアレイ、１７はＳＬＭアレイ、１８はＬＥＤ
アレイ、１９は透明絶縁膜であり、Ｓｉウニ八へ（半導
体基板）上に形成したＰＤアレイ１６上に透明絶縁膜１
９を介して、ＳＬＭアレイ１７を、さらにその上にＧａ
Ａｓ系材料で作製したＬＥＤアレイ１８を層状に構成し
ている。また、２０はＬＥＤアレイ接地電極、２１はＰ
Ｄアレイ電極、２２はＬＥＤ電極である。

第３図は前記光学的ベクトルマトリクス乗算器９として
使用できる検出感度可変のＰＤ２８の構造を示した図で
あり、これはＰＮ接合の空乏層２３ａと金属２５と酸化
物２６と半導体基板８とで構成されたＭＯＳゲートの空
乏層２３ｂとが一体化されたものである。このゲートは
例えば透明材料であるポリ−８ｉ２４で構成され、ＰＮ
接合は金属電極２５で覆われている。いま、光が入射す
ると、光電流はＭＯＳゲートの下の空乏層２３ｂにおい
て生成され、ＰＮ接合は光電流を集める働きをする。も
し、光吸収層の長さが空乏層の長さより長ければ、空乏
層で発生した電子−正孔対のみが光電流に変換され、空
乏層外で発生した電子−正孔対は直ちに再結合し光電流
には寄与しない、従って、ＭＯＳゲートの下で発生した
光電流の大きさは空乏１の長さに比例し、この空乏層の
長さはゲート電圧Ｖ。によって制御できるため、これを
ＰＤとして使用すれば検出感度をゲート電圧Ｖ。によっ
て変化させることができる。

この検出感度可変のＰＤ２８を図４のようにマトリクス
状に配置し、その上にＬＥＤアレイ１８を構成すればＳ
ＬＭアレイ１７がなくてもベクトルマトリクス乗算器９
を構成することができる。

このＰＤ２Ｂはアレイ状に形成し、ＭＯＳゲートはマト
リクス状に構成する。光電流はアレイ状ＧＰＤで足し合
わされるため、各々のＭＯＳゲートに加える電圧によっ
て、各々のＰＤ２８の感度て重み付けされた光電流が電
流取り出し用バッド２７から得られる。これらはＳＬ基
板上に構成てきるため周辺回路とともに集積化すること
は容９である。

また、第５図は半導体基板８上に形成される周辺回路の
構成を示す図であり、ｎ個の並列に配したＰＤアレイの
プリアンプ１０、このＰＤアレイのプリアンプ１０から
出力されるパラレル信号抱しきい値処理をしてシリアル
信号として出力すお比較器１１、この比較器１１の出力
に所定の演舅を行うＣＰＵ１２及びメモリと、ＣＰＵ１
２によって制御されるＬＥＤ駆動回路及びＳＬＭ駆動回
路から構成されている。また、比較器１１は前記ＰＤア
レイのプリアンプ１０から並列に入力される信号をそれ
ぞれシグモイド関数するｎ個のシグモンド演算器２９と
、このシグモンド演算器２９から出力されるパラレル信
号をシリアル信号に変換するマルチプレクサ３０、及び
マルチプレクサ３０の出力をＣＰＵ１２で処理可能なデ
ィジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータ３１で構成さ
れており、ＬＥＤ駆動回路はＣＰＵ１２の制御信号をア
ナログ信号に変換するＤ／Ａコンバータ３２゜このＤ／
Ａコンバータ３２から出力されるシリアル信号をパラレ
ル信号に変換するデマルチプレクサ３３、及びこのデマ
ルチプレクサ３３の出力を受けそれぞれ対応するＬＥＤ
を制御するＬＥＤドライバ３４から構成されている。

次に動作について説明する。

まず、第２図の光学的ベクトルマトリクス乗算器９の動
作について説明する０通常ベクトルマトリクス乗算を電
子回路で実行すると、マトリクスの各要素毎に順次計算
するので、マトリクスの規模が大きくなると、膨大な時
間を要する。これを光学的に実行するために、第２図の
ようにＳｉウェハ上に細長いＰＤアレイ１６を形成し、
その上にマトリクスＷ＝　［Ｗｉｊｌを表わすＳＬＭア
レイ１７を形成する。これはマトリクスＷの各成分に対
応して、光の透過、不透過でｌとＯを表現するものであ
り、その上に細長いＬＥＤアレイ１８をＰＤアレイ１６
と直交するように形成する。このＬＥＤアレイ１８の点
滅が入力ベクトルＶの成分が１であるかＯであるかに対
応する。いま、ｉ番目のＰＤアレイ１６に着目して、そ
の出力をｕｌとすれば、ｕ、＝　Σ　Ｗ　ＩＪＶ　Ｊと表わされる。但し、Ｗ、はマトリクスＷの成分であり
、ＮはＬＥＤアレイ１８の素子数である。

このように、光学的にベクトルマトリクス演算を行えば
、瞬時に膨大な規模な規模の演算が実行できる。このよ
うに、光学的にベクトルマトリクス演算を行えば、瞬時
に膨大な規模の演算が実行できる。

上述した機能は見方を変えれば、ニューロコンビ二一夕
の各二ニーロンの結合演算と見なせる。

ＷＩＪはｉ番目と５番目のニューロン間の結合強度に相
当し、ｖ、が５番目のニューロンの出力、ｕｌはｉ番目
のニューロンへの人力である。

ｕｌをｆ　（ｕｌ　）＝１／　（ｌ＋ｅｘｐ　（−ｕｌ
　／Ｔ））のような関数（シグモイド関数）処理を施し
て、次のニューロンへと伝搬させる。ここでＴは温度パ
ラメータと呼ばれるものであり、Ｔの大きさに応じてｆ
（ｕｌ）の形状が変化する。このような非線形処理は電
子回路の最も得意とするものであり、Ｓｔウェハに形成
されている周辺回路で実行する。

また、光学的ベクトルマトリクス乗算器９のＳＬＭアレ
イ１７は外部信号によって書き換え可能なものであり、
この用途には、液晶材料、誘電体材料（Ｌ　ｉ　Ｎ　ｂ
　Ｏｓ　、　Ｐ　Ｌ　Ｚ　Ｔ　、　Ｂ　Ｓ　Ｏ単結晶な
ど）、ＹＩＧ薄膜などの磁性材料、半導体（ＧａＡｓ、
ＩｎＰなど）の多重量子井戸におけるＱＣＳＥ（量子閉
じ込めシュタル９効果）を用いたものなどが使用できる
。

また、第５図に示す周辺回路は、ＰＤアレイ１６から信
号ｕ１をプリアンプ１０で増幅し、シグモイド演算器２
９へ導く。これらＮ個の信号を次段のマルチプレクサ３
０で処理し、順次Ａ／Ｄコンバータ３１でディジタル信
号に変換し、ＣＰＵ１２で必要な演算を施した後、Ｄ／
Ａコンバータ３２、デマルチプレクサ３３を介してＬＥ
Ｄドライバ３４へ導き、ＬＥＤアレイを点滅させる。

また、ＳＬＭ駆動回路１５はＣＰＵ１２で処理された信
号でＳＬＭアレイ１７を書き換えるための、あるいは第
３図のような検出感度可変のＰＤの感度を制御する。

本装置は以上のような機能を有する多数の光学的ベクト
ルマトリクス乗算器９と多数の周辺回路とが１枚のＳｉ
ウェハ上に集積化されているため、これらの素子を組み
合わせて機能の向上が図れる。

その組み合わせの一例を第６図に示す、同図（ａ）は−
本のバスライン３５で複数個の演算部３６（第１図）を
結合させたものである。同図（ｂ）はそれぞれの演算部
３６を多数配置し、近くのものだけが結合し、全体とし
てネットワークを構成するような配置にしたものである
。これらは１枚のＳｉウニ八へ上に構成したもよいし、
別々のウェハを組み合わせて構成してもよい。

このようにすると、それぞれの演算部３６を互いに関連
させて動作させることができるので、複雑で多機能のシ
ステムを構成できる。

このようなシステムの一例を第７図に示す。同図（ａ）
は多層構造のニューラルネットワークである。各層毎の
結合に演算部３６が使用されている。同図（ｂ）のよう
に種類の異なるニューラルネットワークを複数個組み合
わせることも可能である。これは、フィードバック型の
ネットワーク３７やフィードフォーワード型のネットワ
ーク３８などを相互に結合させて機能の向上を図った例
である。

また、第８図のように光学的ベクトルマトリクス乗算器
９はマルチプロセッサ型コンビエータのプロセッサ間通
信にも使用できる。例えば第１のプロセッサ３９ａから
第２のプロセッサ３９ｂヘデータを伝送する場合を考え
ると、第１のプロセッサ３９ａより、制限縁付バスライ
ン４５の制御線によって、データ伝送先である第２のプ
ロセッサ３９ｂを指定する信号が、またバスラインによ
って、送信データがＬＥＤ駆動回路兼ＳＬＭ駆動回路コ
ントローラ４４へと送られる。

ＬＥＤ駆動回路兼ＳＬＭ駆動回路コントローラ４４は、
透過状態にすべきＳＬＭアレイの場所４６を指定する信
号ＳＬＭ駆動回路１５へ送り、ＳＬＭ駆動回路１５は指
定された場所４６の対角要素を透過状態にする。

また、ＬＥＤ駆動回路兼ＳＬＭ駆動回路コントローラ４
４はＬＥＤアレイのうち、第１のプロセッサ３９ａに対
応するＬＥＤアレイ（透過状態にすべきＳＬＭの場所４
６がある行のＬＥＤアレイ）を送信データが１の時に発
光させる。

これより、送信データは光の有無に変換され、ＰＤアレ
イ１６のうち、第２のプロセッサ３９ｂに対応するＰＤ
アレイ（透過状態にすべきＳＬＭの場所４６がある列の
ＰＤアレイ）で受光され、光電変換されたのち、ＰＤア
レイのプリアンプ１０により増幅され、バスライン３５
を通って第２のプロセッサ３９ｂへと送信される。

プロセッサ３９ａ、３９ｂ、３９ｃ・・−１内メモリ４
０、入出力コントローラ４１、および外部メモリ４３間
のデータ送受信も同様にして、すべて双方向に行える。

また、異なる要素間、例えば第１のプロセッサ３９ａと
第２のプロセッサ３９ｂ間、および内部メモリ４０と外
部メモリ４３間のデータ送受信は同時に行うことができ
る。

なお、前記プロセッサ、内部メモリ、外部メモリとも数
はいくつであってもよく、すべてのプロセッサ、内部メ
モリ、外部メモリ、および入出力コントローラ４１間の
任意の双方向データの送受信を行うことができる。

また、異なった半導体基板間のデータの送受信も行うこ
とができ、第９図は２枚の半導体基板８ａ、Ｂｂ間のデ
ータ伝送を行う場合のものである第１の半導体基板８ａ
の片面に第８図で説明したようなプロセッサやメモリ、
などからなる演算素子４９ａを、裏面に面発光半導体レ
ーザアレイ４７とその駆動回路５０を構成する。両面間
の信号伝達は例えばスルーホールで実現する。第２の半
導体基板８ｂにはＰＤアレイ４８と演算素子４９ｂを構
成する。２枚の基板間の信号伝送は面発光半導体レーザ
アレイ４７とＰＤアレイ４８によって実行する。

これは第８図のようなＬＥＤアレイ１８とＳＬＭアレイ
１７を一方の基板に、他方の基板にＰＤアレイ１６を構
成することによって実現できる。

但し、この場合は基板間の距離をあまり離すことはでき
ない。

なお、上記実施例では半導体基板にＳｉを使用したもの
を示したが、にａＡｓやＩｎＰなどの化合物半導体を用
いてもよい、また、上記実施例では周辺回路として、ア
ナログ信号とディジタル信号が混在している例を示した
が、全ての処理をディジタル化して実行してもよい。

また、上記実施例の第６図では、各要素を同一時刻で使
用する例を示したが、各要素を個別に制御し、時分割使
用することで各時間毎に異なる動作を行わせてもよい。

また、上記実施例の第９図では半導体基板の表面と裏面
に各々発光素子アレイとＰＤアレイ４８を構成した例を
示したが、使用波長で透明な半導体基板の片面のみに周
辺回路とＬＥＤアレイを形成し、光は裏面方向へ出射さ
せ、第２の基板上に構成したＰＤアレイとで情報伝送を
行なっても良い。

〔発明の効果〕

以上のように第１の請求項に係る発明によれば、同一半
導体基板上にベクトルマトリクス乗算器とその周辺回路
からなる演算部を一又は二辺上構成し、各演算部あるい
は他装置とを結合して情報伝送を行えるように構成して
おり、また、第２の請求項に係る発明によれば、半導体
基板間で情報伝送を行えるように構成しているので、豊
富な機能をコンパクトに構成することができ、容易に大
規模な装置が構築できるなどの効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明における演算部の構成を示すブロック
図、第２図はこの発明における光学的ベクトルマトリク
ス乗算器の構成を示す斜視図、第３図はこの発明におけ
る検出感度可変受光素子の構成の一例を示す図、第４図
はこの発明における検出感度可変受光素子の配列の一例
を示す図、第５図はこの発明における演算部の周辺回路
の構成を示すブロック図、第６図はこの発明における演
算部の結合方法を示す図、第７図はこの発明に一実施例
による情報処理の構成に一例を示す図、第８図はこの発
明における演算部の光学的ベクトルマトリクス乗算器と
他装置との構成の一例を示す図、第９図は異った半導体
基板間での情報伝送する構成を示す図、第１０図は従来
の情報処理装置の構成を示す図である。図において、８゜８ａ、８ｂは半導体基板、９は光学的
ベクトルマトリクス乗算器、１０はＰＤアレイのプリア
ンプ、１２はＣＰＵ、１３はメモリ、１４はＬＥＤ駆動
回路、１５はＳＬＭ駆動回路、１６はＰＤアレイ、１７
はＳＬＭアレイ、１８はＬＥＤアレイである。なお、図中、同一符号は同一、又は相当部分を示す。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）受光素子アレイ、空間光変調素子、及び発光素子
アレイを層状に構成するか、あるいは光電流を可変でき
る検出感度可変受光素子をマトリクス状に形成し、該検
出感度可変受光素子上に発光素子アレイを構成した光学
的ベクトルマトリクス乗算器と、前記受光素子アレイの
プリアンプ、前記空間光変調素子あるいは検出感度可変
受光素子の駆動回路、信号処理用のＣＰＵ、及びメモリ
を備えた周辺回路とからなる演算部とを、一又は二以上
同一半導体基板上に構成し、それぞれをバスラインで結
合するか、あるいは前記半導体基板上に構成される光学
的ベクトルマトリクス乗算器と複数の演算装置、メモリ
、及び情報入出力装置とをバスラインで結合した情報処
理装置。
（２）半導体基板の表面に所定の回路部及び受光素子ア
レイを設け、該半導体基板の裏面に面発光半導体レーザ
か、発光素子アレイ及び空間光変調素子を設けて裏面か
ら光情報を伝送させるか、あるいは使用する光の波長で
透過可能となる半導体基板の片面に所定の回路部及び受
光素子アレイを設け、さらに同一面に発光素子アレイ及
び空間光変調素子を設けて他面方向へ光情報を伝送させ
、各半導体基板間の情報伝送を行う情報処理装置。