CN105518545B - 一种光电混合逻辑装置 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种光电混合逻辑装置，包括：电计算逻辑模块接收控制信号，对控制信号进行电逻辑计算处理后输出控制信号计算结果；光计算逻辑模块接收数据信号，对数据信号进行光逻辑计算处理后输出数据信号计算结果给光输出模块；数据信号和数据信号计算结果为光信号；时序控制模块输出时钟信号分别给电计算逻辑模块和光输出模块控制控制信号计算结果和数据信号计算结果同时输出或者间隔预定时间输出；光输出模块在时钟信号的控制下通过控制光路的通断控制数据信号计算结果的输出。利用时钟信号控制数据信号计算结果和控制信号计算结果同时输出，控制信号和数据信号一起被处理，保证了时序性和速度性，使光计算和电计算充分发挥了各自的优势。

Description

一种光电混合逻辑装置

技术领域

本申请涉及集成电路技术领域，特别涉及一种光电混合逻辑装置。

背景技术

在数字电路中，逻辑门是数字电路中最基本的组成结构，有了各种逻辑门便可以实现各种复杂的计算。一般来说，逻辑门包括与门、或门、非门、与非门、或非门等多种。

传统中的逻辑门都是以电计算来实现的，传递的是电信号。但是随着半导体工艺水平的提高，集成电路朝着集成度高、功耗低以及速度快等方向发展，目前为止，集成电路依然遵循着摩尔定律的规律。但是，无论集成电路如何发展，电计算的速度不可能无限发展下去，并且目前电计算的带宽依然无法满足一些领域的要求，集成电路的集成度也会在不久的将来达到极限。因此，需要提供一种新的计算方式，来支持计算速度和带宽的进一步提高。

由于光在速度和宽度上都有优势，因此，光计算可以替代电计算以适应时代的需要。因此，可以由光信号来实现逻辑计算，即全光逻辑门。

但是，由于光的特殊性质，目前纯光学的互连和光计算系统没有具体而有效的实现路径，依然存在非常多的问题需要解决。另一方面，电计算系统已经非常成熟。因此，可以将光和电结合起来，使其发挥各自的优势，共同来实现逻辑运算。

现有技术中，光电混合逻辑装置均是注重工艺实现，并且对于实现时序逻辑的光计算模块，则更关注光寄存器的实现方式，下面介绍现有技术中的光电混合逻辑装置。

参见图1，该图为现有技术中的一种光电混合系统示意图。

从图1中可以看出，下面为电模块302，上面为光模块301，两个模块通过特殊设计的接口324和326组合在一起，实现光模块和电模块之间的相互通信。

图1这种光电混合系统是将光模块和电模块通过接口组合起来，本质上是通过特殊的工艺来实现的，并不涉及具体系统的组成，而且没有将电计算和光计算完全组合起来，只是将两种模块物理连接起来而已，因此，并没有充分发挥光计算和电计算的各自优势。

参见图2，该图为现有技术中的另一种光电混合系统示意图。

图2所示的光电混合系统包括三种功能层，最顶层的三个模块(107a、107b、107c)是电可编程器件，中间一层(101)为光互连层，光互连层101的上下两层(105a和105b)均是电互连层。

其中，光互连层和电互连层均可以通过配置实现线路的选择。因此，图2所示的结构实现了计算器件、光互连、电互连三个维度上的可编程。

但是，计算最终还是依靠最顶层的电芯片，因此，图2这种结构本质上是光互连的电计算系统，并没有发挥光计算的优势。

综上，现有技术中没有一种光电混合逻辑结构可以将电计算和光计算完整的结合起来，充分发挥各自的优势。

因此，本领域技术人员需要提供一种光电混合逻辑装置，能够集中光计算和电计算的优点，实现真正的光电结合进行逻辑计算。

发明内容

为了解决上述技术问题，本申请实施例提供了一种光电混合逻辑装置，能够集成光计算和电计算优点，实现真正的光电结合进行逻辑计算。

本申请实施例公开了如下技术方案：

第一方面，提供一种光电混合逻辑装置，包括：电计算逻辑模块、光计算逻辑模块、时序控制模块和光输出模块；

所述电计算逻辑模块，用于接收控制信号，对所述控制信号进行电逻辑计算处理后输出控制信号计算结果；所述控制信号和控制信号计算结果均为电信号；

所述光计算逻辑模块，用于接收数据信号，对所述数据信号进行光逻辑计算处理后输出数据信号计算结果给所述光输出模块；所述数据信号和数据信号计算结果为光信号；

所述时序控制模块，用于输出时钟信号分别给所述电计算逻辑模块和所述光输出模块，用于控制所述控制信号计算结果和数据信号计算结果同时输出或者间隔预定时间输出；

所述光输出模块，用于在所述时钟信号的控制下通过控制光路的通断控制所述数据信号计算结果的输出。

在第一方面的第一种可能的实现方式中，所述时序控制模块输出两路所述时钟信号，分别为第一时钟信号和第二时钟信号；

所述第一时钟信号输出给所述电计算逻辑模块，所述第二时钟信号输出给所述光输出模块。

结合第一方面及上述任一种可能的实现方式中，在第二种可能的实现方式中，所述第一时钟信号和第二时钟信号的时序不同。

结合第一方面及上述任一种可能的实现方式中，在第三种可能的实现方式中，所述时钟信号为一路，该路时钟信号同时输出给所述电计算逻辑模块和所述光输出模块。

结合第一方面及上述任一种可能的实现方式中，在第四种可能的实现方式中，所述光输出模块包括：光路选择单元和控制单元；

所述控制单元，用于在所述时钟信号的控制下通过控制光路的通断控制所述数据信号计算结果的输出；

所述数据信号计算结果在进入所述控制单元之前经过所述光路选择单元；

所述光路选择单元，用于在电控制信号的控制下选择所述数据信号计算结果的输出光路；

所述电控制信号由所述电计算逻辑模块输出给所述光路选择单元。

结合第一方面及上述任一种可能的实现方式中，在第五种可能的实现方式中，所述光输出模块包括：光路选择单元和控制单元；

所述控制单元，用于在所述时钟信号的控制下通过控制光路的通断控制所述数据信号计算结果的输出；

所述数据信号计算结果在所述控制单元输出之后进入所述光路选择单元；

所述光路选择单元，用于在电控制信号的控制下选择所述数据信号计算结果的输出光路；

所述电控制信号由所述电计算逻辑模块输出给所述光路选择单元。

结合第一方面及上述任一种可能的实现方式中，在第六种可能的实现方式中，所述光输出模块包括：第一光路选择单元、第二光路选择单元和控制单元；

所述控制单元，用于在所述时钟信号的控制下通过控制光路的通断控制所述数据信号计算结果的输出；

所述数据信号计算结果依次经过所述第一光路选择单元、控制单元和第二光路选择单元；

所述第一光路选择单元和第二光路选择单元，均用于在电控制信号的控制下选择所述数据信号计算结果的输出光路；

所述电控制信号由所述电计算逻辑模块输出给所述第一光路选择单元和第二光路选择单元。

结合第一方面及上述任一种可能的实现方式中，在第七种可能的实现方式中，所述电计算逻辑模块还用于输出逻辑控制电信号给所述光计算逻辑模块；

所述逻辑控制电信号，用于控制所述光计算逻辑模块中逻辑计算类型的选择。

结合第一方面及上述任一种可能的实现方式中，在第八种可能的实现方式中，所述电计算逻辑模块包括：专用集成电路ASIC、或现场可编程门阵列FPGA、或复杂可编程逻辑器件CPLD。

结合第一方面及上述任一种可能的实现方式中，在第九种可能的实现方式中，所述电计算逻辑模块包括：以印刷电路板PCB、陶瓷基板和集成电路组成的电路。

由上述实施例可以看出，与现有技术相比，本申请具有如下优点：

本发明提供的光电混合逻辑装置，利用了光计算的速度高，从而用光计算来实现数据信号的处理，利用电计算的时序控制功能实现控制信号的处理。并且利用时序控制模块输出的时钟信号来控制最终的数据信号计算结果和控制信号计算结果同时输出，这样在一个系统处理中，控制信号和数据信号一起被处理，既保证了时序性又保证了速度性，使光计算和电计算充分发挥了各自的优势，并且有机结合起来。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1现有技术中的一种光电混合系统示意图；

图2是现有技术中的另一种光电混合系统示意图；

图3是本发明提供的光电混合逻辑装置实施例一示意图；

图4是本发明提供的光电混合逻辑装置实施例二示意图；

图5是本发明提供的光电混合逻辑装置实施例三示意图；

图6是本发明提供的光电混合逻辑装置实施例四示意图；

图7是本发明提供的光电混合逻辑装置实施例五示意图；

图8是本发明提供的光路选择单元内部结构图；

图9是本发明提供的光电混合逻辑装置实施例六示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

实施例一：

参见图3，该图为本发明提供的光电混合逻辑装置实施例一示意图。

本实施例提供的光电混合逻辑装置，包括：电计算逻辑模块100、光计算逻辑模块200、时序控制模块300和光输出模块400；

所述电计算逻辑模块100，用于接收控制信号，对所述控制信号进行电逻辑计算处理后输出控制信号计算结果；所述控制信号和控制信号计算结果均为电信号；

需要说明的是，本实施例中的电计算逻辑模块100可以由现有技术中的集成电路来实现，或者用来实现电逻辑计算的电路均可以。

由于各种控制信号用电更易于转换，因此，用电计算逻辑模块100来用于控制信号的计算处理，控制信号对于速度要求较低。

所述光计算逻辑模块200，用于接收数据信号，对所述数据信号进行光逻辑计算处理后输出数据信号计算结果给所述光输出模块；所述数据信号和数据信号计算结果为光信号；

需要说明的是，本实施例中的光计算逻辑模块200中的基本单元可以由全光逻辑门来实现，整个模块可以由多个全光逻辑门搭建而成，例如，与门，非门，与非门，异或门，或门等等。这些全光逻辑门可以实现逻辑计算。

由于数据信号对速度要求较高，因此，用光计算逻辑模块200来对数据信号进行计算处理。

例如，CPU等单元在计算时，延迟集中在计算和传输部分，这部分主要与数据信号相关，因此，数据信号用光计算速度较快，这样可以有效降低数据信号在计算和传输过程中的延迟。

所述时序控制模块300，用于输出时钟信号分别给所述电计算逻辑模块和所述光输出模块，用于控制所述控制信号计算结果和数据信号计算结果同时输出或间隔预定时间输出；

需要说明的是，间隔预定时间输出，可以是控制信号计算结果先输出，也可以是数据信号计算结果先输出。大部分情况下，控制信号计算结果和数据信号计算结果同时输出，少数情况下需要这两个信号间隔预定时间输出。

所述预定时间是根据实际应用中的系统需要来设置的，在此不再具体限定。

可以理解的是，时序控制模块300输出的时钟信号为脉冲信号，即为方波信号。

需要说明的是，时序控制模块300的实现方式有多种，均为现有技术，在此不再具体举例介绍，例如可以使用现有技术中的复位、倍频、锁相环以及其他逻辑电路。例如可以使用二倍频电路来实现。

由于光计算逻辑模块200只可以实现光信号的组合逻辑，并不能实现时序逻辑，因此，利用时序控制模块300来实现光信号的时序逻辑。

并且，利用时序控制模块300控制数据信号计算结果和控制信号计算结果同时输出；这样既保证了数据信号的计算处理速度，又保证了数据信号和控制信号同时被处理输出。

所述光输出模块400，用于在所述时钟信号的控制下通过控制光路的通断控制所述数据信号计算结果的输出。

需要说明的是，所述光输出模块400实现的是开关的功能，当光输出模块400呈现的状态为开时，所述数据信号计算结果就输出；当所述光输出模块400呈现的状态为关时，所述数据信号计算结果就不输出。

而光输出模块400的呈现的状态是由所述时钟信号进行控制的，例如，设置当时钟信号为高电平时，所述光输出模块400呈现的状态为开；设置当时钟信号为低电平时，所述光输出模块400呈现的状态为关。当然也可以反过来设置，低电平时对应状态为开，高电平时对应状态为关。当然，也可以设置时钟信号为上升沿时对应状态为开，下降沿时对应状态为关。

需要说明的是，光输出模块400可以由电控微环来实现。由于电控微环是现有技术，因此，不再具体介绍。电控微环的工作原理就是在电信号的控制下，实现光信号在波导中是否通过，从而实现开关的功能。

本实施例提供的光电混合逻辑装置，利用了光计算的速度高，从而用光计算来实现数据信号的处理，利用电计算的时序控制功能实现控制信号的处理。并且利用时序控制模块输出的时钟信号来控制最终的数据信号计算结果和控制信号计算结果同时输出，这样在一个系统处理中，控制信号和数据信号一起被处理，既保证了时序性又保证了速度性，使光计算和电计算充分发挥了各自的优势，并且有机结合起来。

实施例二：

参见图4，该图为本发明提供的光电混合逻辑装置实施例二示意图。

需要说明的是，本发明实施例提供的光电混合逻辑装置中的时序控制模块300输出的时钟信号可以为两路，也可以为一路，当输出为两路时钟信号时，例如图3所示，分别为第一时钟信号和第二时钟信号；

所述第一时钟信号输出给所述电计算逻辑模块，所述第二时钟信号输出给所述光输出模块。

需要说明的是，在图3所示的实施例中并不限定时钟控制模块300输出的时钟信号为两路。

可以理解的是，所述第一时钟信号和第二时钟信号均为电信号，所述第一时钟信号和第二时钟信号的时序可以为相同的，也可以为不相同的。

另外，所述时序控制模块300输出的时钟信号也可以为一路，如图4所示，此时该路时钟信号既输出给电计算逻辑模块100，同时也输出给光输出模块400。

可以理解的是，当时序控制模块300仅输出一路时钟信号时，电计算逻辑模块100和光输出模块400对应的时钟信号的时序是相同的。

实施例三：

参见图5，该图为本发明提供的光电混合逻辑装置实施例三示意图。

需要说明的是，本实施例提供的所述光输出模块包括：光路选择单元401和控制单元402；

所述控制单元402，用于在所述时钟信号的控制下通过控制光路的通断控制所述数据信号计算结果的输出；

所述数据信号计算结果在进入所述控制单元402之前经过所述光路选择单元401；

所述光路选择单元401，用于在电控制信号的控制下选择所述数据信号计算结果的输出光路；

所述电控制信号由所述电计算逻辑模块100输出给所述光路选择单元401。

需要说明的是，本实施例提供的光路选择单元401位于控制单元402之前，即数据信号计算结果先经过光路选择单元401，然后进入控制单元402。

需要说明的是，本实施例中的光路选择单元401也可以由电控微环来实现，电控微环在电控制信号的控制下可以控制光信号是否通过光波导。

需要说明的是，光路选择单元401的电控制信号是由电计算逻辑模块100提供的。

光路选择单元401的作用是可以控制光信号从哪一个光路输出，因为光信号从不同的光路输出对后续处理会有影响。因此，可以通过光路选择单元401对光路进行选择。

实施例四：

参见图6，该图为本发明提供的光电混合逻辑装置实施例四示意图。

图5所示的实施例中的光路选择单元401是在控制单元402之前，而本实施例中光路选择单元401是在控制单元402之后，即光信号先经过控制单元402，然后再经过光路选择单元401。

所述光输出模块400包括：光路选择单元401和控制单元402；

所述控制单元402，用于在所述时钟信号的控制下通过控制光路的通断控制所述数据信号计算结果的输出；

所述数据信号计算结果在所述控制单元402输出之后进入所述光路选择单元401；

所述光路选择单元401，用于在电控制信号的控制下选择所述数据信号计算结果的输出光路；

所述电控制信号由所述电计算逻辑模块100输出给所述光路选择单元401。

需要说明的是，本实施例中的光路选择单元401和控制单元402的工作原理与实施例三中的完全相同，在此不再赘述。

实施例五：

参见图7，该图为本发明提供的光电混合逻辑装置实施例五示意图。

图5和图6对应的实施例中的光路选择单元一个是位于控制单元之前，一个是位于控制单元之后，本实施例中包括两个光路选择单元，分别位于控制单元之前一个，位于控制单元之后一个。

所述光输出模块400包括：第一光路选择单元401a、第二光路选择单元401b和控制单元402；

所述控制单元402，用于在所述时钟信号的控制下通过控制光路的通断控制所述数据信号计算结果的输出；

所述数据信号计算结果依次经过所述第一光路选择单元401a、控制单元402和第二光路选择单元401b；

所述第一光路选择单元401a和第二光路选择单元401b，均用于在电控制信号的控制下选择所述数据信号计算结果的输出光路；

所述电控制信号由所述电计算逻辑模块100输出给所述第一光路选择单元401a和第二光路选择单元401b。

需要说明的是，在控制单元402的前后均设置光路选择单元时，可以完成的功能更强大，因为可选择的余地更大，可以更好地选择光路的输出。

如图8所示，为本发明实施例提供的一种光路选择单元内部结果图。

其中的交叉线所夹的圆圈代表电控微环，通过给电控微环电控制信号就可以控制光路的通断，即是否将光信号通过光波导。

实施例六：

参见图9，该图为本发明提供的光电混合逻辑装置实施例六示意图。

本实施例提供的光电混合逻辑装置中，所述电计算逻辑模块100还用于输出逻辑控制电信号给所述光计算逻辑模块200；

所述逻辑控制电信号，用于控制所述光计算逻辑模块200中逻辑计算类型的选择。

由于光计算逻辑模块200中包括多个全光逻辑门，全光逻辑门组合在一起可以完成各种类型的计算，例如，加法、减法、乘法、除法。本实施例中通过电计算逻辑模块100提供的逻辑控制电信号，可以控制光计算逻辑模块200中的计算类型，例如是进行加法计算还是进行乘法计算。

可以理解的是，当所述光计算逻辑模块200的计算类型或功能是固定的时，则是不可以编程的。当所述光计算逻辑模块200的计算类型或功能是可以控制时，则是可编程的。

另外，本发明以上所有实施例中的所述电计算逻辑模块100可以由以下电路来实现，包括但不限于：专用集成电路(ASIC，Application Specific Integrated Circuit)、或现场可编程门阵列(FPGA，Field Programmable Gate Array)、或复杂可编程逻辑器件(CPLD，Complex Programmable Logic Device)。

例如，所述电计算逻辑模块还可以为：以印刷电路板(PCB，Printed CircuitBoard)、陶瓷基板和集成电路组成的电路。

以上实施例提供的光电混合逻辑装置，利用光计算和电计算的各自优点，使两者发挥各自特长，实现有机结合。例如，对于一条MIPS SIMD 128bit的加法指令，在频率为1GHz的情况下，以目前的工艺条件，计算部分至少需要3个周期才能完成。但是如果使用本发明实施例提供的装置，将加法计算由逻辑计算模块来完成，则可以在1个周期内完成计算。对于更为复杂的乘法指令或者频率更高的CPU，这种周期上的缩短会更为明显。因此，该装置可以有效提供计算速度，而且利用电信号的时序进行控制，使光信号也实现了时序逻辑。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种光电混合逻辑装置，其特征在于，包括：电计算逻辑模块、光计算逻辑模块、时序控制模块和光输出模块；

所述电计算逻辑模块，用于接收控制信号，对所述控制信号进行电逻辑计算处理后输出控制信号计算结果；所述控制信号和控制信号计算结果均为电信号；

所述光计算逻辑模块，用于接收数据信号，对所述数据信号进行光逻辑计算处理后输出数据信号计算结果给所述光输出模块；所述数据信号和数据信号计算结果为光信号；

所述时序控制模块，用于输出时钟信号分别给所述电计算逻辑模块和所述光输出模块，用于控制所述控制信号计算结果和数据信号计算结果同时输出或者间隔预定时间输出；

所述光输出模块，用于在所述时钟信号的控制下通过控制光路的通断控制所述数据信号计算结果的输出。

2.根据权利要求1所述的光电混合逻辑装置，其特征在于，所述时序控制模块输出两路所述时钟信号，分别为第一时钟信号和第二时钟信号；

所述第一时钟信号输出给所述电计算逻辑模块，所述第二时钟信号输出给所述光输出模块。

3.根据权利要求2所述的光电混合逻辑装置，其特征在于，所述第一时钟信号和第二时钟信号的时序不同。

4.根据权利要求1所述的光电混合逻辑装置，其特征在于，所述时钟信号为一路，该路时钟信号同时输出给所述电计算逻辑模块和所述光输出模块。

5.根据权利要求1所述的光电混合逻辑装置，其特征在于，所述光输出模块包括：光路选择单元和控制单元；

所述控制单元，用于在所述时钟信号的控制下通过控制光路的通断控制所述数据信号计算结果的输出；

所述数据信号计算结果在进入所述控制单元之前经过所述光路选择单元；

所述光路选择单元，用于在电控制信号的控制下选择所述数据信号计算结果的输出光路；

所述电控制信号由所述电计算逻辑模块输出给所述光路选择单元。

6.根据权利要求1所述的光电混合逻辑装置，其特征在于，所述光输出模块包括：光路选择单元和控制单元；

所述控制单元，用于在所述时钟信号的控制下通过控制光路的通断控制所述数据信号计算结果的输出；

所述数据信号计算结果在所述控制单元输出之后进入所述光路选择单元；

所述光路选择单元，用于在电控制信号的控制下选择所述数据信号计算结果的输出光路；

所述电控制信号由所述电计算逻辑模块输出给所述光路选择单元。

7.根据权利要求1所述的光电混合逻辑装置，其特征在于，所述光输出模块包括：第一光路选择单元、第二光路选择单元和控制单元；

所述控制单元，用于在所述时钟信号的控制下通过控制光路的通断控制所述数据信号计算结果的输出；

所述数据信号计算结果依次经过所述第一光路选择单元、控制单元和第二光路选择单元；

所述第一光路选择单元和第二光路选择单元，均用于在电控制信号的控制下选择所述数据信号计算结果的输出光路；

所述电控制信号由所述电计算逻辑模块输出给所述第一光路选择单元和第二光路选择单元。

8.根据权利要求1所述的光电混合逻辑装置，其特征在于，所述电计算逻辑模块还用于输出逻辑控制电信号给所述光计算逻辑模块；

所述逻辑控制电信号，用于控制所述光计算逻辑模块中逻辑计算类型的选择。

9.根据权利要求1所述的光电混合逻辑装置，其特征在于，所述电计算逻辑模块包括：专用集成电路ASIC、或现场可编程门阵列FPGA、或复杂可编程逻辑器件CPLD。

10.根据权利要求1所述的光电混合逻辑装置，其特征在于，所述电计算逻辑模块包括：以印刷电路板PCB、陶瓷基板和集成电路组成的电路。