JP2017158041A - Optical logic circuit and accumulator - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To resolve a problem of a delay occurred at a calculation level.SOLUTION: An accumulator comprises: optical pass gates 31-7 to 31-9 which output a signal X of a plurality of bits and a result of an addition of Y in each pit; optical pass gates 31-1 to 31-3 which output a carry signal required for the addition of each bit in the optical pass gates 31-7 to 31-9 in each bit; XOR gates 34-1 to 34-3 which output a result of an exclusive OR of the signals X and Y as a control signal controlling 2×1 optical pass gates 31-1 to 31-3 and 31-7 to 31-9; and AND gates 32-1 to 32-3 which input a result of logical AND in each bit of the signals X and Y to the 2×1 optical pass gates 31-1 to 31-3.SELECTED DRAWING: Figure 6

Description

本発明は、論理演算を光回路、または光回路と電気回路の混合回路で行う光論理回路と、光論理回路の1例である加算器に関するものである。   The present invention relates to an optical logic circuit that performs a logical operation in an optical circuit or a mixed circuit of an optical circuit and an electric circuit, and an adder that is an example of the optical logic circuit.

現在の電子演算回路は、その処理速度を向上させるため、そのチップサイズや素子サイズを極限まで小さくする工夫がなされている。その理由は、回路内の抵抗(R)とキャパシタンス(C)とが信号の伝搬を大きく律速しているため、演算速度を上げるにはチップサイズや素子サイズを小さくするしかないためである。そのため、狭面積の論理ブロックやコアに素子を詰め込み、マルチコア(multi-core)・メニーコア(many core)化などの工夫がなされているが、それらのコアを繋ぐための配線が新たな「遅延」を生み、演算の高速化に限界が見えつつある。   In order to improve the processing speed of the current electronic arithmetic circuit, a device for reducing the chip size and the element size to the limit is devised. The reason is that the resistance (R) and capacitance (C) in the circuit greatly limit the propagation of signals, and the only way to increase the calculation speed is to reduce the chip size and element size. For this reason, devices such as multi-cores and many-cores have been devised, such as packing elements into narrow-area logic blocks and cores, but the wiring to connect these cores has a new “delay”. The limits to the speeding up of computation are beginning to appear.

一方、光通信などで用いられる光配線や光パスゲートは、その配線経路内のCやRに無依存で光信号を伝播させることができる。また、ナノフォトニクスの進展により、光ゲート(光パスゲート)の消費エネルギーは飛躍的に改善され、そのエネルギーコスト[J/bit]は、CMOSゲートと光で同程度のレベルになりつつある。そのため、チップ内やチップ間の通信を光化する様々な研究がなされている。   On the other hand, an optical wiring or an optical pass gate used in optical communication or the like can propagate an optical signal independent of C and R in the wiring path. In addition, with the progress of nanophotonics, the energy consumption of the optical gate (optical pass gate) has been dramatically improved, and the energy cost [J / bit] is about the same level as the CMOS gate and light. For this reason, various studies have been made to opticalize communication within and between chips.

図13は1ビット当たりのスイッチングエネルギー(=エネルギーコスト[J/bit])を説明する図で、CMOSゲートでは配線(wire)を含めると10-15J/bit以下になると想定されている(非特許文献1参照)。一方で、ナノフォトニクスの光ゲートのエネルギーコストは10-15J/bit程度のものが実現されており、CMOSゲートと同程度のエネルギーコストになりつつある(非特許文献2参照)。また、ナノフォトニクスの光ゲートは短尺化の面でも有利である(非特許文献5、6参照)。 FIG. 13 is a diagram for explaining switching energy per bit (= energy cost [J / bit]). In the case of a CMOS gate, it is assumed that it becomes 10 −15 J / bit or less when wiring (wire) is included (non-cost). Patent Document 1). On the other hand, the energy cost of the optical gate of nanophotonics has been realized at about 10 −15 J / bit, and the energy cost is about the same as that of the CMOS gate (see Non-Patent Document 2). Nanophotonic optical gates are also advantageous in terms of shortening the length (see Non-Patent Documents 5 and 6).

光パスゲートを組み合わせた構成における演算プロセスについて説明する。2×1の光パスゲートをツリー状に接続すると、図14のようなn桁の入力に対するルックアップテーブル(Look up table:LUT)を再現する回路を構成することができる(図15(A))。図14、図15(A)の例ではn=3の場合を表している。   An arithmetic process in a configuration in which an optical pass gate is combined will be described. When 2 × 1 optical pass gates are connected in a tree shape, a circuit that reproduces a look-up table (LUT) for an n-digit input as shown in FIG. 14 can be configured (FIG. 15A). . In the examples of FIGS. 14 and 15A, the case of n = 3 is shown.

図15(A)における11−1〜11−7は光パスゲートである。各光パスゲート11−1〜11−7は、ゲート入力が“1”であるときに一方の光経路(図15(A)の例では上側の光経路)を選択し、ゲート入力が“0”であるときに他方の光経路(下側の光経路)を選択する。この経路選択動作は、図3、図7、図8、図10、(図11は反対の経路を選択)で同じである。1段目の光パスゲート11−1〜11−4はゲート入力Ciに応じて動作し、2段目の光パスゲート11−5,11−6はゲート入力Xiに応じて動作し、3段目の光パスゲート11−7はゲート入力Yiに応じて動作する。図15(B)は1つの光パスゲートの等価回路を示す図である。 11A to 11-7 in FIG. 15A are optical pass gates. Each of the optical path gates 11-1 to 11-7 selects one optical path (the upper optical path in the example of FIG. 15A) when the gate input is “1”, and the gate input is “0”. Is selected, the other optical path (lower optical path) is selected. This route selection operation is the same in FIG. 3, FIG. 7, FIG. 8, FIG. 10 (FIG. 11 selects the opposite route). The first-stage optical pass gates 11-1 to 11-4 operate according to the gate input C i , and the second-stage optical pass gates 11-5 and 11-6 operate according to the gate input X i. The optical pass gate 11-7 of the eye operates in response to the gate input Y i . FIG. 15B is a diagram showing an equivalent circuit of one optical pass gate.

図15(A)に示した論理ブロック10は、n桁の入力に対する全ての組み合わせに対して、“0”か“1”の光信号を出力するものであり、n桁の入力に対する全ての演算を実行するものである。このような構成における演算プロセスには、以下の3つの段階がある。   The logic block 10 shown in FIG. 15A outputs an optical signal of “0” or “1” for all combinations for n-digit inputs, and performs all operations for n-digit inputs. Is to execute. The arithmetic process in such a configuration has the following three stages.

1つ目の段階は、答えの準備である。2×1の光パスゲートを用いてツリー構造を構成すると、n入力に対し、2^n個の答え (“0”あるいは“1”の1bit)を事前に準備することになる。電気回路ではこの答えをメモリに記憶させ、光回路の場合は“1”の答えのところに光源101を配置する。例えば図15(A)の論理ブロック10は、Ci+1の演算を行う回路となる。 The first step is preparing the answer. When a tree structure is configured using 2 × 1 optical pass gates, 2 ^ n answers (1 bit of “0” or “1”) are prepared in advance for n inputs. In the electric circuit, this answer is stored in the memory, and in the case of the optical circuit, the light source 101 is arranged at the answer of “1”. For example, the logic block 10 in FIG. 15A is a circuit that performs an operation of C i + 1 .

2つ目の段階は、出力経路の構築である。n段のツリー構造において、同一段では同じスイッチ動作を、全ての段で同時に行う。これにより、経路の構築はスイッチの数に依存せず、1つのスイッチのスイッチング時間で完了する。   The second stage is the construction of the output path. In an n-stage tree structure, the same switch operation is performed simultaneously in all stages in the same stage. As a result, the path construction does not depend on the number of switches, and is completed in the switching time of one switch.

例えば図15(A)の例では、信号(Ci,Xi,Yi)=(1,1,0)が入力されたとき、1段目の光パスゲート11−1〜11−4と2段目の光パスゲート11−5,11−6とが上側に切り替えられ、3段目の光パスゲート11−7が下側に切り替えられ、14で示される経路が構築される。このときの出力経路の等価回路を図16のように示すこととする。 For example, in the example of FIG. 15A, when the signal (C i , X i , Y i ) = (1, 1, 0) is input, the first-stage optical pass gates 11-1 to 11-4 and 2 The optical path gates 11-5 and 11-6 of the stage are switched to the upper side, the optical path gate 11-7 of the third stage is switched to the lower side, and a path indicated by 14 is constructed. An equivalent circuit of the output path at this time is shown as in FIG.

3つ目の段階は、答えの出力である。構築された経路を通して、事前に準備された1ビットの信号を出力する。電気回路の場合、1段目、2段目の動作は非常に容易に実現できる。つまり、膨大なメモリスイッチを使い2^n個の答えを記憶し、10ps程度のスイッチング時間で経路を構築すればよい。   The third stage is answer output. A 1-bit signal prepared in advance is output through the constructed path. In the case of an electric circuit, the first-stage and second-stage operations can be realized very easily. In other words, it is only necessary to store 2 ^ n answers using a huge memory switch and construct a path with a switching time of about 10 ps.

ただし、電気回路の場合、3段目のプロセスが非常に難しい。つまり、図16に示されるように、n個のトランジスタ12のC,Rが連なるため、経路の応答速度がn^2で劣化する。そのため、電気回路では、図16に示すような接続は、n<4〜6でしか用いられない。   However, in the case of an electric circuit, the third stage process is very difficult. That is, as shown in FIG. 16, since C and R of n transistors 12 are connected, the response speed of the path deteriorates at n ^ 2. Therefore, in the electric circuit, the connection as shown in FIG. 16 is used only when n <4-6.

このような回路を光化、つまり、光パスゲートをCMOSゲートのように組み合わせ、論理ブロックを構成する手法にはいくつかの提案がある(特許文献1、非特許文献3、非特許文献4参照)。   There are some proposals for a method of opticalizing such a circuit, that is, combining a light pass gate like a CMOS gate to form a logic block (see Patent Document 1, Non-Patent Document 3, and Non-Patent Document 4). .

特開平4−299733号公報JP-A-4-299733

Rodney S.Tucker and Kerry Hinton,“Energy Consumption and Energy Density in Optical and Electronic Signal Processing”,IEEE Photonics Journal,Volume 3,Number 5,October 2011,pp.821Rodney S. Tucker and Kerry Hinton, “Energy Consumption and Energy Density in Optical and Electronic Signal Processing”, IEEE Photonics Journal, Volume 3, Number 5, October 2011, pp.821 Koji Takeda et al.,“Few-fJ/bit data transmissions using directly modulated lambda-scale embedded active region photonic-crystal lasers”,Nature Photonics 7,pp.569-575,2013Koji Takeda et al., “Few-fJ / bit data transmissions using directly modulated lambda-scale embedded active region photonic-crystal lasers”, Nature Photonics 7, pp. 569-575, 2013. James Hardy et al.,“Optic inspired logic architecture”, OPTICS EXPRESS,Vol.15,No.1,pp.150-165,2007James Hardy et al., “Optic inspired logic architecture”, OPTICS EXPRESS, Vol.15, No.1, pp.150-165, 2007 Qianfan Xu et al.,“Reconfigurable optical directed-logic circuits using microresonator-based optical switches”,OPTICS EXPRESS,Vol.19,No.6,pp.5244-5259,2011Qianfan Xu et al., “Reconfigurable optical directed-logic circuits using microresonator-based optical switches”, OPTICS EXPRESS, Vol.19, No.6, pp.5244-5259, 2011 Noritsugu Yamamoto et al.,“Photonic crystal directional coupler switch with small switching length and wide bandwidth”,OPTICS EXPRESS,Vol.14,No.3,pp.1223-1229,2006Noritsugu Yamamoto et al., “Photonic crystal directional coupler switch with small switching length and wide bandwidth”, OPTICS EXPRESS, Vol.14, No.3, pp.1223-1229, 2006 Kengo Nozaki et al.,“All-optical switching for 10-Gb/s packet data by using an ultralow-power optical bistability of photonic-crystal nanocavities”,OPTICS EXPRESS,Vol.23,No.23,pp.30379-30392,2015Kengo Nozaki et al., “All-optical switching for 10-Gb / s packet data by using an ultralow-power optical bistability of photonic-crystal nanocavities”, OPTICS EXPRESS, Vol.23, No.23, pp.30379-30392 , 2015

以上の文献に示される従来技術では、チップ内やチップ間の通信を光化する技術や、論理ブロックを光化する技術が提案されている。しかしながら、回路の演算時間を律速する演算経路(クリティカルパス)への配慮がなく、演算で生じる遅延を解決できていないという問題点があった。   In the prior art shown in the above documents, a technique for opticalizing communication within a chip or between chips and a technique for opticalizing a logic block have been proposed. However, there is a problem in that there is no consideration for a computation path (critical path) that limits the computation time of the circuit, and a delay caused by the computation cannot be solved.

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、チップ内やチップ間の光配線や光ゲートだけでなく、さらに粒度を細かくトランジスタレベルまで光化を進め、演算レベルで生じる遅延の問題を根本から解決することができる光論理回路および加算器を提供することを目的とする。本発明では、電子チップにおける演算を律速するクリティカルパスを光化し、そのパスを光素子に適した構成に再構築し、パスの長さを短尺化することで、演算速度を飛躍的に改善する。   The present invention has been made in order to solve the above-described problems. In addition to optical wiring and optical gates within and between chips, the present invention further advances the photonization to a transistor level with finer granularity, and causes a delay problem occurring at the calculation level. An object of the present invention is to provide an optical logic circuit and an adder that can solve the above problem fundamentally. In the present invention, the critical path that controls the calculation in the electronic chip is opticalized, the path is reconstructed into a configuration suitable for the optical element, and the path length is shortened, thereby dramatically improving the calculation speed. .

本発明の光論理回路は、複数ビットの信号Xと複数ビットの信号Yとの所望の論理演算の結果をビット毎に出力する第1の演算手段と、この第1の演算手段でのビット毎の論理演算に必要な、上位ビットへの伝搬信号をビット毎に出力する第2の演算手段と、前記信号X,Yに基づいて前記第1、第2の演算手段を制御する制御信号をビット毎に出力する第3の演算手段とを備え、前記第2の演算手段は、ビット毎の構成がそれぞれ1つの光パスゲートからなり、各光パスゲートが直列に接続され、前記第3の演算手段で演算されたビット毎の制御信号が対応するビットの光パスゲートに入力されることを特徴とするものである。   The optical logic circuit of the present invention includes a first arithmetic unit that outputs a result of a desired logical operation of a multi-bit signal X and a multi-bit signal Y for each bit, and for each bit in the first arithmetic unit. A second arithmetic means for outputting a signal propagated to the upper bits necessary for the logical operation of each bit, and a control signal for controlling the first and second arithmetic means based on the signals X and Y. A third computing means for outputting each time, and the second computing means comprises a single optical pass gate for each bit, and each optical pass gate is connected in series, and the third computing means The calculated control signal for each bit is input to the optical pass gate of the corresponding bit.

また、本発明の光論理回路の1構成例において、前記光パスゲートは、ナノフォトニクスの光ゲートである。
また、本発明の光論理回路の1構成例において、前記第1、第2、第3の演算手段の全ては光回路からなるものである。
また、本発明の光論理回路の1構成例において、前記第1の演算手段は電気回路からなり、前記第2、第3の演算手段は光回路からなるものである。
また、本発明の光論理回路の1構成例において、前記論理演算は、信号Xと信号Yの加算である。
In one configuration example of the optical logic circuit of the present invention, the optical pass gate is a nanophotonics optical gate.
In one configuration example of the optical logic circuit of the present invention, all of the first, second, and third arithmetic means are optical circuits.
In one configuration example of the optical logic circuit according to the present invention, the first arithmetic means is an electric circuit, and the second and third arithmetic means are optical circuits.
In one configuration example of the optical logic circuit of the present invention, the logical operation is addition of the signal X and the signal Y.

また、本発明の加算器は、複数ビットの信号Xと複数ビットの信号Yとの加算の結果をビット毎に出力する第1の演算手段と、この第1の演算手段でのビット毎の加算に必要な、上位ビットへの伝搬信号である桁上げ信号をビット毎に出力する第2の演算手段と、前記第1、第2の演算手段を制御する制御信号として前記信号X,Yの排他的論理和の結果をビット毎に出力するXORゲートと、前記信号X,Yのビット毎の論理積の結果を前記第2の演算手段に入力するANDゲートとを備え、前記第1、第2の演算手段は、ビット毎の構成がそれぞれ1つの光パスゲートからなり、前記第2の演算手段を構成する各光パスゲートが直列に接続され、前記XORゲートで演算されたビット毎の制御信号が対応するビットの光パスゲートに入力されることを特徴とするものである。
また、本発明の加算器の1構成例において、前記第1の演算手段を構成する各光パスゲートは、前記XORゲートで演算されたビット毎の制御信号に応じて桁上げ信号またはその反転信号のいずれかを出力し、前記第2の演算手段を構成する各光パスゲートは、前記XORゲートで演算されたビット毎の制御信号に応じて桁上げ信号または前記ANDゲートの出力信号のいずれかを出力することを特徴とするものである。
Further, the adder of the present invention includes a first calculation means for outputting a result of addition of the multi-bit signal X and the multi-bit signal Y for each bit, and addition for each bit by the first calculation means. Required for the second operation means for outputting a carry signal, which is a signal propagated to the higher bits, for each bit, and the signals X and Y are exclusively used as control signals for controlling the first and second operation means. An XOR gate for outputting a logical OR result for each bit; and an AND gate for inputting a logical product for each bit of the signals X and Y to the second arithmetic means. The calculation means of each bit is composed of one optical pass gate, each optical pass gate constituting the second calculation means is connected in series, and the control signal for each bit calculated by the XOR gate corresponds. Input to optical pass gate of bit It is characterized in that the.
Further, in one configuration example of the adder of the present invention, each optical pass gate constituting the first calculation means has a carry signal or its inverted signal in accordance with the control signal for each bit calculated by the XOR gate. Each of the optical pass gates constituting the second calculation means outputs either a carry signal or an output signal of the AND gate according to the control signal for each bit calculated by the XOR gate. It is characterized by doing.

本発明によれば、複数ビットの信号Xと複数ビットの信号Yとの所望の論理演算の結果をビット毎に出力する第1の演算手段と、第1の演算手段でのビット毎の論理演算に必要な、上位ビットへの伝搬信号をビット毎に出力する第2の演算手段と、信号X,Yに基づいて第1、第2の演算手段を制御する制御信号をビット毎に出力する第3の演算手段とを設け、第2の演算手段のビット毎の構成を1つの光パスゲートとし、各光パスゲートを直列に接続し、第3の演算手段で演算されたビット毎の制御信号を対応するビットの光パスゲートに入力することにより、回路の演算時間を律速する演算経路(クリティカルパス)を、光素子に適した構成に再構築し、クリティカルパスの長さを短尺化することができ、クリティカルパスを伝搬する光の伝搬速度で論理演算を実行することが可能となる。   According to the present invention, the first arithmetic means for outputting the result of a desired logical operation of the multi-bit signal X and the multi-bit signal Y for each bit, and the logical operation for each bit in the first arithmetic means And second control means for outputting a propagation signal to the upper bits necessary for each bit and a control signal for controlling the first and second calculation means based on the signals X and Y for each bit. 3 arithmetic means, the configuration of each bit of the second arithmetic means is one optical pass gate, each optical pass gate is connected in series, and the control signal for each bit calculated by the third arithmetic means is supported. By inputting to the optical path gate of the bit to be reconstructed, the operation path (critical path) that controls the operation time of the circuit can be reconstructed into a configuration suitable for the optical element, and the length of the critical path can be shortened. Light traveling along the critical path It is possible to perform a logic operation on the propagation velocity.

また、本発明では、複数ビットの信号Xと複数ビットの信号Yとの加算の結果をビット毎に出力する第1の演算手段と、第1の演算手段でのビット毎の加算に必要な、上位ビットへの伝搬信号である桁上げ信号をビット毎に出力する第2の演算手段と、第1、第2の演算手段を制御する制御信号として信号X,Yの排他的論理和の結果をビット毎に出力するXORゲートと、信号X,Yのビット毎の論理積の結果を第2の演算手段に入力するANDゲートとを設け、第1、第2の演算手段のビット毎の構成をそれぞれ1つの光パスゲートとし、第2の演算手段を構成する各光パスゲートを直列に接続し、XORゲートで演算されたビット毎の制御信号を対応するビットの光パスゲートに入力することにより、加算器の演算時間を律速する演算経路(クリティカルパス)を、光素子に適した構成に再構築し、クリティカルパスの長さを短尺化することができ、クリティカルパスを伝搬する光の伝搬速度で信号X,Yの加算を実行することが可能となる。   In the present invention, the first calculation means for outputting the result of the addition of the multi-bit signal X and the multi-bit signal Y for each bit, and the addition required for each bit in the first calculation means, A second arithmetic means for outputting a carry signal, which is a propagation signal to the upper bits, for each bit, and a result of exclusive OR of signals X and Y as a control signal for controlling the first and second arithmetic means. An XOR gate that outputs each bit and an AND gate that inputs the result of the logical product of the signals X and Y to the second arithmetic means are provided, and the configuration of the first and second arithmetic means for each bit is provided. By adding each optical pass gate constituting each of the second arithmetic means in series and inputting the control signal for each bit calculated by the XOR gate to the corresponding optical pass gate for each bit, an adder is provided. To limit the calculation time The path (critical path) can be reconstructed into a configuration suitable for the optical element, the length of the critical path can be shortened, and the signals X and Y are added at the propagation speed of the light propagating through the critical path. It becomes possible.

論理ブロックの接続方法を説明する図である。It is a figure explaining the connection method of a logic block. 従来の加算器の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the conventional adder. 従来の加算器の詳細な構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the detailed structure of the conventional adder. 従来の加算器のクリティカルパスを説明する図である。It is a figure explaining the critical path of the conventional adder. 本発明におけるクリティカルパスの短縮化を説明する図である。It is a figure explaining shortening of the critical path in this invention. 本発明の第1の実施の形態に係る加算器の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the adder which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施の形態に係る加算器のANDゲートの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the AND gate of the adder which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施の形態に係る加算器のXORゲートの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the XOR gate of the adder which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施の形態に係る加算器の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the adder which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施の形態に係る加算器の詳細な構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the detailed structure of the adder which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施の形態に係る加算器のSUMゲートの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the SUM gate of the adder which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施の形態に係る加算器の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the adder which concerns on the 3rd Embodiment of this invention. 電子デバイスおよび光学デバイスの1ビット当たりのスイッチングエネルギーを示す図である。It is a figure which shows the switching energy per bit of an electronic device and an optical device. ルックアップテーブルの真理値表を示す図である。It is a figure which shows the truth table of a lookup table. 図14のルックアップテーブルに対応する論理ブロックの構成を示す図および光パスゲートの等価回路図である。FIG. 15 is a diagram illustrating a configuration of a logic block corresponding to the lookup table of FIG. 14 and an equivalent circuit diagram of an optical pass gate. 出力経路の等価回路図である。It is an equivalent circuit diagram of an output path.

[第1の実施の形態]
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。本発明では、図16で説明した電気回路における3段目のプロセスの問題点を光化で解決する。つまり、光信号の伝搬が、経路のキャパシタ(C)にも抵抗(R)にも無依存である特徴を利用する。このような光化により、出力経路を光信号が伝搬する時間で、演算を完了させることが可能となる。
[First Embodiment]
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the present invention, the problem of the third stage process in the electric circuit described in FIG. 16 is solved by photonization. That is, the characteristic that the propagation of the optical signal is independent of the capacitor (C) and the resistance (R) of the path is used. Such opticalization makes it possible to complete the calculation in the time required for the optical signal to propagate through the output path.

また、下記に示す手法により、回路の演算時間を律速する演算経路(クリティカルパス)を、光素子に適した構成に再構築し、ナノフォトニクスによる光素子の小型化によりパスの長さを短尺化することで、演算速度を飛躍的に改善する。   In addition, the following method is used to reconstruct the computation path (critical path) that controls the computation time of the circuit into a configuration suitable for optical elements, and the path length is shortened by miniaturization of optical elements by nanophotonics. By doing so, the calculation speed is dramatically improved.

本発明では、便宜上、論理ブロックの複数個の組み合わせ方を、図1(A)、図1(B)に示す2種類に分類する。ここで、シリアル接続は、図1(A)に示すように、前段と後段の論理ブロック10のトランジスタ12のソースとドレインが直列に連なる接続、カスケード接続は、図1(B)に示すように、前段の論理ブロック10の最終段のトランジスタ12を通過した信号が次段の論理ブロック10の初段のトランジスタ12のゲートに入力される接続、と定義することとする。   In the present invention, for the sake of convenience, a plurality of combinations of logic blocks are classified into two types shown in FIGS. 1 (A) and 1 (B). Here, as shown in FIG. 1A, the serial connection is a connection in which the source and drain of the transistor 12 of the logic block 10 in the preceding stage and the subsequent stage are connected in series, and the cascade connection is as shown in FIG. 1B. The signal that has passed through the final stage transistor 12 of the preceding logic block 10 is defined as a connection that is input to the gate of the first stage transistor 12 of the next stage logic block 10.

例えば加算器(X+Y)の場合、3入力(Xi,Yi,Ci)の論理ブロックの組み合わせで構成することができる。ここで、Xi,Yiは加算されるi桁目の値、Ciはi−1桁からの桁上げの値である。3入力の論理ブロックをLUTで構成する場合、図15(A)の答えに図14におけるCi+1の出力配列を用いると桁上げ演算を実現することができ、図15(A)の答えに図14におけるSiの出力配列を用いると各桁の和算を実現することができる。 For example, in the case of an adder (X + Y), it can be constituted by a combination of logic blocks of three inputs (X i , Y i , C i ). Here, X i and Y i are the i- th value to be added, and C i is the carry value from the i−1 digit. When a 3-input logical block is configured by an LUT, a carry operation can be realized by using the output array of C i + 1 in FIG. 14 for the answer in FIG. 15A, and the answer in FIG. If the output array of S i in FIG. 14 is used, summation of each digit can be realized.

従来の加算器の回路構成は図2となる。ここでは簡単のため、論理ブロック10の組み合わせを、図16の等価回路の表記を用いて表している。上段の論理ブロック10−1〜10−4は桁上げの値Ci+1,Ci+2,Ci+3,Ci+4を演算する論理ブロック、下段の論理ブロック10−5〜10−8は各桁の和算を行なう論理ブロックである。 The circuit configuration of the conventional adder is shown in FIG. Here, for the sake of simplicity, combinations of the logic blocks 10 are represented using the equivalent circuit notation shown in FIG. The upper logical blocks 10-1 to 10-4 are the logical blocks for calculating the carry values C i + 1 , C i + 2 , C i + 3 , C i + 4 , and the lower logical blocks 10-5 to 10-10. -8 is a logic block that performs addition of each digit.

複数ビットからなるXと複数ビットからなるYを加算する場合には、論理ブロック10−5〜10−8で各桁ごとの加算を行うとともに、論理ブロック10−1〜10−4で上位の桁への桁上げの値を演算する。図3は図2の加算器の詳細な構成を示すブロック図である。   When X consisting of a plurality of bits and Y consisting of a plurality of bits are added, addition is performed for each digit in the logic blocks 10-5 to 10-8, and the upper digit is added in the logic blocks 10-1 to 10-4. Calculates the carry value to. FIG. 3 is a block diagram showing a detailed configuration of the adder of FIG.

図2、図3に示したような回路構成において演算時間を決定するものは、もっとも長い経路(クリティカルパス)である。本発明では、シリアル接続を積極的に利用し、この接続を演算のクリティカルパスに利用することを提案する。その手法について具体例を挙げて説明する。   In the circuit configuration as shown in FIGS. 2 and 3, the longest path (critical path) determines the calculation time. In the present invention, it is proposed that the serial connection is positively used and this connection is used for a critical path of calculation. The method will be described with a specific example.

まず、図2、図3の回路のクリティカルパスを抽出する。図2、図3に示した加算器のクリティカルパスを抽出した構成を図4に示す。図2〜図4の15で示されている経路がクリティカルパスである。桁上げの信号が通る経路が最も長くなっており、かつ、前段の論理ブロック10の桁上げ演算が完了しないと、次段の論理ブロック10の演算ができない構成となっている。電気回路の場合、32ビットの加算にかかる時間は約1nsと言われている。   First, the critical paths of the circuits of FIGS. 2 and 3 are extracted. FIG. 4 shows a configuration in which the critical path of the adder shown in FIGS. 2 and 3 is extracted. The route indicated by 15 in FIGS. 2 to 4 is a critical path. The path through which the carry signal passes is the longest, and if the carry operation of the preceding logic block 10 is not completed, the operation of the next logic block 10 cannot be performed. In the case of an electric circuit, the time required for adding 32 bits is said to be about 1 ns.

次に、クリティカルパスを最短化する。図4における1桁の演算は、クリティカルパス上にシリアルに接続された3つのトランジスタ12(光パスゲート)で実行されているが、これらの演算の全ては必ずしもクリティカルパス上に存在する光パスゲートで実行されなくてもよい。   Next, the critical path is minimized. The one-digit operation in FIG. 4 is executed by three transistors 12 (optical pass gates) serially connected on the critical path, but all of these operations are necessarily executed by the optical pass gate existing on the critical path. It does not have to be done.

例えば図5に示すように、クリティカルパス外のXOR(排他的論理和)ゲート21−1〜21−3で演算した結果をそれぞれ光パスゲート20−1〜20−3へのゲート入力信号として用いることにより、クリティカルパス上の光パスゲート数を最小(ここでは1つ)に削減することが可能となる。   For example, as shown in FIG. 5, the results calculated by XOR (exclusive OR) gates 21-1 to 21-3 outside the critical path are used as gate input signals to the optical path gates 20-1 to 20-3, respectively. Thus, the number of optical path gates on the critical path can be reduced to a minimum (here, one).

さらに、次段ブロックへの接続をカスケードからシリアルに変更する。演算の条件により、カスケードに入力されている信号をシリアルに変更することができる。図5の例ではi桁からの桁上げ信号Ci+1をi+1桁の光パスゲート20−2に入力し、i+1桁からの桁上げ信号Ci+2をi+2桁の光パスゲート20−3に入力するというようにシリアル接続している。 Furthermore, the connection to the next block is changed from cascade to serial. The signal input to the cascade can be changed serially depending on the calculation conditions. In the example of FIG. 5, carry signal C i + 1 from i digit is input to i + 1 digit optical pass gate 20-2, and carry signal C i + 2 from i + 1 digit is inputted to i + 2 digit optical pass gate 20-3. It is connected serially as input.

これにより、クリティカルパスの経路の構築が各桁で同時に行えるようになり、経路の構築時間がクリティカルパス上の光パスゲート数(桁数)に無依存となる。さらに、構築された経路に光信号を通すだけで桁上げ演算が完了するため、演算時間が光の伝搬時間と等しくなる。   As a result, the path construction of the critical path can be performed simultaneously in each digit, and the path construction time becomes independent of the number of optical path gates (digits) on the critical path. Furthermore, since the carry calculation is completed simply by passing the optical signal through the constructed path, the calculation time becomes equal to the light propagation time.

次に、本実施の形態の加算器の具体的な回路構成を図6に示す。ここでは、それぞれ3ビットのX,Yを加算する構成を例に挙げて説明する。本実施の形態の加算器は、1×1光パスゲート30−1〜30−6と、2×1光パスゲート31−1〜31−9と、AND(論理積)ゲート32−1〜32−3と、NAND(否定論理積)ゲート33−1〜33−3と、XOR(排他的論理和)ゲート34−1〜34−3とから構成される。なお、本実施の形態は、信号および回路を全て光化した構成の例である。   Next, FIG. 6 shows a specific circuit configuration of the adder of the present embodiment. Here, a configuration in which 3 bits of X and Y are added will be described as an example. The adder of the present embodiment includes 1 × 1 optical pass gates 30-1 to 30-6, 2 × 1 optical pass gates 31-1 to 31-9, and AND (logical product) gates 32-1 to 32-3. And NAND (Negative AND) gates 33-1 to 33-3 and XOR (Exclusive OR) gates 34-1 to 34-3. Note that this embodiment is an example of a configuration in which all signals and circuits are opticalized.

ANDゲート32−1は、1桁目のX,Yの値X1,Y1の論理積を演算し、ANDゲート32−2は、2桁目のX,Yの値X2,Y2の論理積を演算し、ANDゲート32−3は、3桁目のX,Yの値X3,Y3の論理積を演算する。 The AND gate 32-1 calculates the logical product of the X and Y values X 1 and Y 1 of the first digit, and the AND gate 32-2 calculates the X and Y values X 2 and Y 2 of the second digit. The AND gate 32-3 calculates the logical product of the X and Y values X 3 and Y 3 of the third digit.

ANDゲート32−1の出力信号は1×1光パスゲート30−1のゲート入力信号となり、ANDゲート32−2の出力信号は1×1光パスゲート30−2のゲート入力信号となり、ANDゲート32−3の出力信号は1×1光パスゲート30−3のゲート入力信号となる。   The output signal of the AND gate 32-1 becomes the gate input signal of the 1 × 1 optical pass gate 30-1, the output signal of the AND gate 32-2 becomes the gate input signal of the 1 × 1 optical pass gate 30-2, and the AND gate 32- The output signal 3 becomes the gate input signal of the 1 × 1 optical pass gate 30-3.

NANDゲート33−1は、1桁目のX,Yの値X1,Y1の否定論理積を演算し、NANDゲート33−2は、2桁目のX,Yの値X2,Y2の否定論理積を演算し、NANDゲート33−3は、3桁目のX,Yの値X3,Y3の否定論理積を演算する。 The NAND gate 33-1 calculates the negative logical product of the X and Y values X 1 and Y 1 of the first digit, and the NAND gate 33-2 calculates the X and Y values X 2 and Y 2 of the second digit. The NAND gate 33-3 calculates the negative logical product of the X and Y values X 3 and Y 3 of the third digit.

NANDゲート33−1の出力信号は1×1光パスゲート30−4のゲート入力信号となり、NANDゲート33−2の出力信号は1×1光パスゲート30−5のゲート入力信号となり、NANDゲート33−3の出力信号は1×1光パスゲート30−6のゲート入力信号となる。   The output signal of the NAND gate 33-1 becomes the gate input signal of the 1 × 1 optical pass gate 30-4, the output signal of the NAND gate 33-2 becomes the gate input signal of the 1 × 1 optical pass gate 30-5, and the NAND gate 33− The output signal 3 becomes the gate input signal of the 1 × 1 optical pass gate 30-6.

XORゲート34−1は、1桁目のX,Yの値X1,Y1の排他的論理和を演算し、XORゲート34−2は、2桁目のX,Yの値X2,Y2の排他的論理和を演算し、XORゲート34−3は、3桁目のX,Yの値X3,Y3の排他的論理和を演算する。 The XOR gate 34-1 calculates the exclusive OR of the X and Y values X 1 and Y 1 of the first digit, and the XOR gate 34-2 calculates the X and Y values X 2 and Y of the second digit. The XOR gate 34-3 calculates the exclusive OR of the X and Y values X 3 and Y 3 of the third digit.

XORゲート34−1の出力信号(制御信号)は2×1光パスゲート31−1,31−4,31−7のゲート入力信号となり、XORゲート34−2の出力信号(制御信号)は2×1光パスゲート31−2,31−5,31−8のゲート入力信号となり、XORゲート34−3の出力信号(制御信号)は2×1光パスゲート31−3,31−6,31−9のゲート入力信号となる。   The output signal (control signal) of the XOR gate 34-1 becomes the gate input signal of the 2 × 1 optical pass gates 31-1, 31-4, 31-7, and the output signal (control signal) of the XOR gate 34-2 is 2 ×. It becomes the gate input signal of the 1 optical pass gates 31-2, 31-5, 31-8, and the output signal (control signal) of the XOR gate 34-3 is the 2 × 1 optical pass gates 31-3, 31-6, 31-9. This is a gate input signal.

図7はANDゲート32−1の構成を示す図である。ANDゲート32−1は、光パスゲート320〜322によって構成される。各光パスゲート320〜322は、ゲート入力が“1”のときに一方の光経路(図7の例では上側の光経路)を選択し、ゲート入力が“0”のときに他方の光経路(下側の光経路)を選択する。   FIG. 7 is a diagram showing the configuration of the AND gate 32-1. The AND gate 32-1 includes optical pass gates 320 to 322. Each of the optical path gates 320 to 322 selects one optical path (upper optical path in the example of FIG. 7) when the gate input is “1”, and the other optical path (when the gate input is “0”). Select the lower light path.

1段目の光パスゲート320,321はゲート入力Xiに応じて動作し、2段目の光パスゲート322はゲート入力Yiに応じて動作する。図15(A)で説明した論理ブロックの場合と同様に、X1,Y1の2つの入力に対し4個の答えを事前に準備する必要がある。したがって、“1”の答えのところに光源を配置して光を入力すればよい。ANDゲート32−2,32−3の構成はANDゲート32−1と同じである。 The first-stage optical pass gates 320 and 321 operate according to the gate input X i , and the second-stage optical pass gate 322 operates according to the gate input Y i . As in the case of the logic block described with reference to FIG. 15A, it is necessary to prepare four answers in advance for the two inputs X 1 and Y 1 . Therefore, a light source may be arranged at the answer of “1” to input light. The configuration of the AND gates 32-2 and 32-3 is the same as that of the AND gate 32-1.

図8はXORゲート34−1の構成を示す図である。XORゲート34−1は、光パスゲート340〜342によって構成される。1段目の光パスゲート340,341はゲート入力Xiに応じて動作し、2段目の光パスゲート342はゲート入力Yiに応じて動作する。 FIG. 8 is a diagram showing the configuration of the XOR gate 34-1. The XOR gate 34-1 includes optical pass gates 340 to 342. The first-stage optical pass gates 340 and 341 operate according to the gate input X i , and the second-stage optical pass gate 342 operates according to the gate input Y i .

ANDゲート32−1の場合と同様に、X1,Y1の2つの入力に対し4個の答えを事前に準備する必要があり、“1”の答えのところには光源を配置して光を入力すればよい。XORゲート34−2,34−3の構成はXORゲート34−1と同じである。
NANDゲート33−1〜33−3についても光パスゲートの組み合わせで容易に実現することができる。
As in the case of the AND gate 32-1, it is necessary to prepare four answers for the two inputs X 1 and Y 1 in advance. You can enter. The configuration of the XOR gates 34-2 and 34-3 is the same as that of the XOR gate 34-1.
The NAND gates 33-1 to 33-3 can also be easily realized by a combination of optical pass gates.

1×1光パスゲート30−1〜30−3は、ANDゲート32−1〜32−3からのゲート入力が“1”のときにオン状態となって入力経路からの光信号を通過させ、ゲート入力が“0”のときにオフ状態となって光信号を遮断する。同様に、1×1光パスゲート30−4〜30−6は、NANDゲート33−1〜33−3からのゲート入力が“1”のときにオン状態となり、ゲート入力が“0”のときにオフ状態となる。   The 1 × 1 optical pass gates 30-1 to 30-3 are turned on when the gate input from the AND gates 32-1 to 32-3 is “1”, and pass the optical signal from the input path. When the input is “0”, the optical signal is cut off by turning off. Similarly, the 1 × 1 optical pass gates 30-4 to 30-6 are turned on when the gate input from the NAND gates 33-1 to 33-3 is “1”, and when the gate input is “0”. Turns off.

1×1光パスゲート30−1〜30−6の出力信号は2×1光パスゲート31−1〜31−3,31−4〜31−6に入力される。なお、各1×1光パスゲート30−1〜30−6の入力経路には光源を配置して光を入力する必要がある。   Output signals of the 1 × 1 optical pass gates 30-1 to 30-6 are input to the 2 × 1 optical pass gates 31-1 to 31-3 and 31-4 to 31-6. In addition, it is necessary to arrange a light source in the input path of each 1 × 1 optical pass gate 30-1 to 30-6 and input light.

2×1光パスゲート31−1〜31−3は、XORゲート34−1〜34−3からのゲート入力が“1”のときに一方の光経路(桁上げ信号C1〜C3)を選択し、ゲート入力が“0”のときに他方の光経路(1×1光パスゲート30−1〜30−3の出力)を選択する。この2×1光パスゲート31−1〜31−3の出力信号は上位の桁への桁上げ信号C2〜C4となる。例えば桁上げ信号C2は2×1光パスゲート31−2,31−8に入力され、桁上げ信号C3は2×1光パスゲート31−3,31−9に入力される。 The 2 × 1 optical pass gates 31-1 to 31-3 select one optical path (carry signals C 1 to C 3 ) when the gate input from the XOR gates 34-1 to 34-3 is “1”. When the gate input is “0”, the other optical path (outputs of the 1 × 1 optical pass gates 30-1 to 30-3) is selected. The output signals of the 2 × 1 optical pass gates 31-1 to 31-3 become carry signals C 2 to C 4 for higher digits. For example, the carry signal C 2 is input to the 2 × 1 optical pass gates 31-2 and 31-8, and the carry signal C 3 is input to the 2 × 1 optical pass gates 31-3 and 31-9.

2×1光パスゲート31−4〜31−6は、XORゲート34−1〜34−3からのゲート入力が“0”のときに一方の光経路(1×1光パスゲート30−4〜30−6の出力)を選択し、ゲート入力が“1”のときに他方の光経路(桁上げ信号バーC1〜バーC3)を選択する。 The 2 × 1 optical pass gates 31-4 to 31-6 have one optical path (1 × 1 optical pass gates 30-4 to 30− when the gate input from the XOR gates 34-1 to 34-3 is “0”. 6 output) is selected, and when the gate input is “1”, the other optical path (carry signal bars C 1 to C 3 ) is selected.

この2×1光パスゲート31−4〜31−6の出力信号は桁上げ信号C2〜C4に対して相補な桁上げ信号バーC2〜バーC4となる。桁上げ信号バーC2は2×1光パスゲート31−5,31−8に入力され、桁上げ信号バーC3は2×1光パスゲート31−6,31−9に入力される。 The output signal of the 2 × 1 optical pass gate 31-4~31-6 becomes carry complementary signals bar C 2 ~ bar C 4 relative to the carry signal C 2 -C 4. Carry signal bar C 2 is input to the 2 × 1 optical pass gate 31-5,31-8, the carry signal bar C 3 are input to the 2 × 1 optical pass gate 31-6,31-9.

2×1光パスゲート31−7〜31−9は、XORゲート34−1〜34−3からのゲート入力が“1”のときに一方の光経路(桁上げ信号バーC1〜バーC3)を選択し、ゲート入力が“0”のときに他方の光経路(桁上げ信号C1〜C3)を選択する。この2×1光パスゲート31−7〜31−9の出力が、各桁の和算の結果を示す出力信号S1〜S3となる。 The 2 × 1 optical pass gates 31-7 to 31-9 have one optical path (carrying signal bars C 1 to C 3 ) when the gate input from the XOR gates 34-1 to 34-3 is “1”. When the gate input is “0”, the other optical path (carry signals C 1 to C 3 ) is selected. The outputs of the 2 × 1 optical pass gates 31-7 to 31-9 become output signals S 1 to S 3 indicating the result of the addition of each digit.

なお、1桁目の演算で使用する桁上げ信号C1は“0”であるから、これと相補な桁上げ信号バーC1として“1”を入力する必要があり、2×1光パスゲート31−4,31−7のバーC1の入力には光源を配置して光を入力する必要がある。 Since the carry signal C 1 used in the first digit calculation is “0”, it is necessary to input “1” as the carry signal bar C 1 complementary to this, and the 2 × 1 optical pass gate 31. It is necessary to place a light source and input light at the input of the bar C 1 of −4, 31-7.

図6中の15,16で示されている経路が加算器のクリティカルパスである。図6に示した構成は図5の構成と等価であり、クリティカルパス15上の光パスゲートに、クリティカルパス外で実行されたXとYのXORの演算結果を入力している。また、下段のクリティカルパス16は、上段クリティカルパス15と相補な桁上げ信号が伝搬する経路となっている。   The paths indicated by 15 and 16 in FIG. 6 are the critical paths of the adder. The configuration shown in FIG. 6 is equivalent to the configuration shown in FIG. 5, and the XOR calculation result of X and Y executed outside the critical path is input to the optical path gate on the critical path 15. The lower critical path 16 is a path through which a carry signal complementary to the upper critical path 15 propagates.

本実施の形態では、クリティカルパス上にシリアルに接続される光パスゲートに光を伝搬させるだけで、桁上げ計算が完了する。各桁の和算は、クリティカルパスからの分岐信号を使って演算され、その演算は他の桁に影響を及ぼさない。つまり、クリティカルパスを伝搬する光の伝搬速度で和算を実行することが可能となる。   In this embodiment, the carry calculation is completed only by propagating light to the optical path gate connected serially on the critical path. The sum of each digit is calculated using a branch signal from the critical path, and the calculation does not affect the other digits. That is, the summation can be executed at the propagation speed of light propagating through the critical path.

[第2の実施の形態]
次に、本発明の第2の実施の形態について説明する。図9は本実施の形態の加算器の構成を示すブロック図であり、図6と同一の構成には同一の符号を付してある。本実施の形態の加算器は、1×1光パスゲート30−1〜30−3と、2×1光パスゲート31−1〜31−3,31−7〜31−9と、ANDゲート32−1〜32−3と、XORゲート34−1〜34−3と、光・光ゲート35−1,35−2とから構成される。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 9 is a block diagram showing the configuration of the adder according to the present embodiment. The same components as those in FIG. 6 are denoted by the same reference numerals. The adder of the present embodiment includes 1 × 1 optical pass gates 30-1 to 30-3, 2 × 1 optical pass gates 31-1 to 31-3, 31-7 to 31-9, and an AND gate 32-1. 32-3, XOR gates 34-1 to 34-3, and optical / optical gates 35-1 and 35-2.

第1の実施の形態では、図6に示した下段のクリティカルパス16は、桁上げ信号C2,C3の反転信号バーC2,バーC3を作るために使われている。そのため、反転機能を有する回路を用いれば、図6の下段の回路、すなわち1×1光パスゲート30−4〜30−6と2×1光パスゲート31−4〜31−6とNANDゲート33−1〜33−3とを省くことが可能である。 In the first embodiment, the lower the critical path 16 shown in FIG. 6 is used to make the inverted signal bar C 2 carry signal C 2, C 3, the bars C 3. Therefore, if a circuit having an inversion function is used, the lower circuit of FIG. 6, that is, 1 × 1 optical pass gates 30-4 to 30-6, 2 × 1 optical pass gates 31-4 to 31-6, and NAND gate 33-1 ~ 33-3 can be omitted.

本実施の形態の例では、光・光ゲート35−1は、2×1光パスゲート31−1から出力された桁上げ信号C2から反転信号バーC2を生成し、桁上げ信号C2と反転信号バーC2とを2×1光パスゲート31−8に入力する。 In the example of the present embodiment, the optical / optical gate 35-1 generates the inverted signal bar C 2 from the carry signal C 2 output from the 2 × 1 optical pass gate 31-1, and the carry signal C 2 You input the inverted signal bar C 2 to 2 × 1 optical pass gate 31-8.

同様に、光・光ゲート35−2は、2×1光パスゲート31−2から出力された桁上げ信号C3から反転信号バーC3を生成し、桁上げ信号C3と反転信号バーC3とを2×1光パスゲート31−9に入力する。
その他の構成は第1の実施の形態で説明したとおりである。
Similarly, the optical / optical gate 35-2 generates an inverted signal bar C 3 from the carry signal C 3 output from the 2 × 1 optical pass gate 31-2, and carries the carry signal C 3 and the inverted signal bar C 3. Are input to the 2 × 1 optical pass gate 31-9.
Other configurations are the same as those described in the first embodiment.

図10は図9に示した本実施の形態の加算器の詳細な構成を示すブロック図である。なお、図10の例では、それぞれ4ビットのX,Yを加算する構成を示している。
SUMゲート36−1〜36−4は、図6の2×1光パスゲート31−7〜31−9と光・光ゲート35−1,35−2とを合わせた構成に相当する。
FIG. 10 is a block diagram showing a detailed configuration of the adder of the present embodiment shown in FIG. Note that the example of FIG. 10 shows a configuration in which 4-bit X and Y are added.
The SUM gates 36-1 to 36-4 correspond to a configuration in which the 2 × 1 optical pass gates 31-7 to 31-9 and the optical / optical gates 35-1 and 35-2 in FIG. 6 are combined.

図11はSUMゲート36−1の構成を示す図である。SUMゲート36−1は、NOTゲート360と、光パスゲート361とから構成される。NOTゲート360は、桁上げ信号C1から反転信号バーC1を生成する。光パスゲート361は、2×1光パスゲート31−7と同じものである。SUMゲート36−2〜36−4の構成はSUMゲート36−1と同じである。 FIG. 11 is a diagram showing the configuration of the SUM gate 36-1. The SUM gate 36-1 includes a NOT gate 360 and an optical pass gate 361. The NOT gate 360 generates an inverted signal bar C 1 from the carry signal C 1 . The optical pass gate 361 is the same as the 2 × 1 optical pass gate 31-7. The configuration of the SUM gates 36-2 to 36-4 is the same as that of the SUM gate 36-1.

こうして、本実施の形態では、第1の実施の形態と比較して構成を簡略化することができる。
なお、図9、図10の例では、図6に示した下段の回路を省いているが、下段の回路で演算した桁上げ信号バーC2,バーC3の反転信号C2,C3を光・光ゲートで生成することにより、図6の上段の回路、すなわち1×1光パスゲート30−1〜30−3と2×1光パスゲート31−1〜31−3とANDゲート32−1〜32−3とを省くようにしてもよい。
Thus, in this embodiment, the configuration can be simplified as compared with the first embodiment.
In the example of FIGS. 9 and 10, the lower circuit shown in FIG. 6 is omitted, but the inverted signals C 2 and C 3 of the carry signals C 2 and C 3 calculated by the lower circuit are used. 6 is generated by the optical / optical gate, that is, the 1 × 1 optical pass gates 30-1 to 30-3, the 2 × 1 optical pass gates 31-1 to 31-3, and the AND gates 32-1 to 32-1. 32-3 may be omitted.

[第3の実施の形態]
次に、本発明の第3の実施の形態について説明する。図12は本実施の形態の加算器の構成を示すブロック図であり、図6と同一の構成には同一の符号を付してある。本実施の形態の加算器は、1×1光パスゲート30−1〜30−3と、2×1光パスゲート31−1〜31−3と、ANDゲート32−1〜32−3と、XORゲート34−1〜34−3と、電気スイッチ37−1〜37−3と、OE変換器38−1,38−2とから構成される。
[Third Embodiment]
Next, a third embodiment of the present invention will be described. FIG. 12 is a block diagram showing the configuration of the adder of the present embodiment. The same components as those in FIG. 6 are denoted by the same reference numerals. The adder of the present embodiment includes 1 × 1 optical pass gates 30-1 to 30-3, 2 × 1 optical pass gates 31-1 to 31-3, AND gates 32-1 to 32-3, and an XOR gate. 34-1 to 34-3, electrical switches 37-1 to 37-3, and OE converters 38-1 and 38-2.

本発明では、和算については桁ごとに完了しており、他の桁に影響を与えないため、図9に示した中段の回路、すなわち2×1光パスゲート31−7〜31−9と光・光ゲート35−1,35−2との部分を電気信号で処理しても、光を用いた場合とほぼ同程度の演算速度を得ることができる。   In the present invention, the summation is completed for each digit and does not affect other digits. Therefore, the middle stage circuit shown in FIG. 9, that is, the 2 × 1 optical pass gates 31-7 to 31-9 and the light Even if the portions with the optical gates 35-1 and 35-2 are processed with electrical signals, the calculation speed can be almost the same as when light is used.

電気スイッチ37−1〜37−3は、XORゲート34−1〜34−3からのゲート入力が“1”のときに一方の電気経路(桁上げ信号バーC1〜バーC3)を選択し、ゲート入力が“0”のときに他方の電気経路(桁上げ信号C1〜C3)を選択する。この電気スイッチ37−1〜37−3の出力が各桁の和算の結果を示す出力信号S1〜S3となる。桁上げ信号C1は“0”であるから、その反転信号バーC1として“1”に相当する電気信号を電気スイッチ37−1に入力する必要がある。 Electrical switch 37-1~37-3 selects one of the electrical paths (the carry signal bar C 1 ~ bar C 3) when the gate input is "1" from XOR gate 34-1~34-3 When the gate input is “0”, the other electrical path (carry signals C 1 to C 3 ) is selected. The output of the electric switch 37-1~37-3 becomes the output signal S 1 to S 3, which shows the results of each digit of the summing. Since the carry signal C 1 is “0”, it is necessary to input an electric signal corresponding to “1” to the electric switch 37-1 as the inverted signal bar C 1 .

OE変換器38−1は、2×1光パスゲート31−1から出力された桁上げ信号C2(光信号)を電気信号に変換すると同時に、この変換した桁上げ信号C2の反転信号バーC2を生成し、桁上げ信号C2と反転信号バーC2とを電気スイッチ37−2に入力する。 The OE converter 38-1 converts the carry signal C 2 (optical signal) output from the 2 × 1 optical pass gate 31-1 into an electrical signal, and at the same time, the inverted signal bar C of the converted carry signal C 2. 2 and the carry signal C 2 and the inverted signal bar C 2 are input to the electric switch 37-2.

同様に、OE変換器38−2は、2×1光パスゲート31−2から出力された桁上げ信号C3(光信号)を電気信号に変換すると同時に、この変換した桁上げ信号C3の反転信号バーC3を生成し、桁上げ信号C3と反転信号バーC3とを電気スイッチ37−3に入力する。
その他の構成は第1の実施の形態で説明したとおりである。
Similarly, the OE converter 38-2 converts the carry signal C 3 (optical signal) output from the 2 × 1 optical pass gate 31-2 into an electric signal, and at the same time, inverts the converted carry signal C 3 . The signal bar C 3 is generated, and the carry signal C 3 and the inverted signal bar C 3 are input to the electric switch 37-3.
Other configurations are the same as those described in the first embodiment.

更に、図9に示した上段のゲート、すなわち、ANDゲート32−1〜32−3と、XORゲート34−1〜34−3を電気スイッチとし、かつ、1×1光パスゲート30−1〜30−3とそれに付随する光源の組み合わせを、ANDゲート32−1〜32−3からのゲート入力が”1”のときにONとなる光源に置き換えてもよい。これらの部分はクリティカルパス外に存在するため、これらの部分を電気信号で処理しても光を用いた場合とほぼ同程度の演算時間を得ることができる。本実施の形態のように、上段のクリティカルパス15を構成する経路のみを光に置き換え、その他の回路を電気で構成しても、光の伝搬速度で演算を実行することが可能となる。   Furthermore, the upper gates shown in FIG. 9, that is, AND gates 32-1 to 32-3 and XOR gates 34-1 to 34-3 are used as electrical switches, and 1 × 1 optical pass gates 30-1 to 30 are used. -3 and the light source associated therewith may be replaced with a light source that turns ON when the gate input from the AND gates 32-1 to 32-3 is "1". Since these portions exist outside the critical path, even if these portions are processed with an electric signal, it is possible to obtain almost the same computation time as when light is used. As in the present embodiment, even if only the path constituting the upper critical path 15 is replaced with light and the other circuits are configured electrically, it is possible to perform computation at the light propagation speed.

第1〜第3の実施の形態で説明した回路は、トランジスタレベルまで光化を進めた構成となっており、電子回路と光回路の融合を容易にし、電子回路の得意分野(膨大な素子の超高集積・並列処理による、超高スループット演算)と、光回路の得意分野(情報を光の速度で伝搬させながら、光の伝搬速度で演算を完了させる、超低レイテンシ演算)の両立が可能となり、動作周波数が頭打ち状態になりつつある電子回路の問題を解決することを可能とする。   The circuits described in the first to third embodiments are configured to be opticalized up to the transistor level, facilitating the fusion of electronic circuits and optical circuits, It is possible to achieve both ultra-high-throughput computation using ultra-high integration and parallel processing) and optical circuit expertise (ultra-low latency computation that completes computation at the speed of light propagation while propagating information at the speed of light). Thus, it is possible to solve the problem of the electronic circuit whose operating frequency is reaching its peak.

なお、第1〜第3の実施の形態では、加算器としての構成のみを説明したが、回路がクリティカルパスを擁する場合、(桁ごとに完了する演算と、他の桁の影響を受ける演算がある場合には、他の桁の影響を受ける演算がクリティカルパスになる)加算器以外の回路でも本発明を適用できるのは言うまでもない。例えば次のように回路構成を変更すると減算器となる。具体的には、入力Yの全ての信号をYの論理否定として入力し、かつ、最下位桁のC1に論理値1を入力する、つまり、信号C1として“1”を入力し、信号バーC1には入力しない。このように加算器の構成は様々な演算回路に応用することが可能で、その適用例としては、乗算器、除算器、あるいは単数もしくは複数の条件から一致するビット列を検出する一致検出回路等がある。 In the first to third embodiments, only the configuration as the adder has been described. However, when the circuit has a critical path, (the operation that is completed for each digit and the operation that is affected by other digits are not performed. In some cases, the operation affected by other digits becomes a critical path. Needless to say, the present invention can be applied to circuits other than adders. For example, if the circuit configuration is changed as follows, it becomes a subtracter. Specifically, all signals of input Y are input as logical negation of Y, and logical value 1 is input to C 1 of the least significant digit, that is, “1” is input as signal C 1 , If you do not enter the bar C 1. In this way, the configuration of the adder can be applied to various arithmetic circuits. Examples of the application include a multiplier, a divider, or a coincidence detection circuit that detects a bit string that coincides with one or more conditions. is there.

また、光パスゲートとしてナノフォトニクスの光ゲート(非特許文献5、6)を用いることで、短尺化=高速化を図ることができる。   Further, by using a nanophotonics optical gate (Non-Patent Documents 5 and 6) as the optical pass gate, it is possible to reduce the length and speed.

なお、クリティカルパス上のパスゲート(31−1〜31−6)として電気的な経路切替えが可能な構成で、光信号でゲートを操作しなくても良い構成を用いてもよい。これにより、従来の光素子を利用することが可能である。   In addition, it is possible to use a configuration in which electrical paths can be switched as the pass gates (31-1 to 31-6) on the critical path, and the gate does not have to be operated with an optical signal. Thereby, a conventional optical element can be used.

本発明は、光回路、または光回路と電気回路の混合回路で行う論理演算に適用することができる。   The present invention can be applied to a logical operation performed in an optical circuit or a mixed circuit of an optical circuit and an electric circuit.

30−1〜30−6…1×1光パスゲート、31−1〜31−9…2×1光パスゲート、32−1〜32−3…ANDゲート、33−1〜33−3…NANDゲート、34−1〜34−3…XORゲート、35−1,35−2…光・光ゲート、36−2〜36−4…SUMゲート、37−1〜37−3…電気スイッチ、38−1,38−2…OE変換器、320〜322,340〜342,361…光パスゲート、360…NOTゲート。   30-1 to 30-6 ... 1x1 optical pass gate, 31-1 to 31-9 ... 2x1 optical pass gate, 32-1 to 32-3 ... AND gate, 33-1 to 33-3 ... NAND gate, 34-1 to 34-3: XOR gate, 35-1, 35-2 ... optical / optical gate, 36-2 to 36-4 ... SUM gate, 37-1 to 37-3 ... electrical switch, 38-1, 38-2 ... OE converter, 320-322, 340-342, 361 ... optical pass gate, 360 ... NOT gate.

Claims (7)

複数ビットの信号Xと複数ビットの信号Yとの所望の論理演算の結果をビット毎に出力する第1の演算手段と、
この第1の演算手段でのビット毎の論理演算に必要な、上位ビットへの伝搬信号をビット毎に出力する第2の演算手段と、
前記信号X,Yに基づいて前記第1、第2の演算手段を制御する制御信号をビット毎に出力する第3の演算手段とを備え、
前記第2の演算手段は、ビット毎の構成がそれぞれ1つの光パスゲートからなり、各光パスゲートが直列に接続され、前記第3の演算手段で演算されたビット毎の制御信号が対応するビットの光パスゲートに入力されることを特徴とする光論理回路。
First arithmetic means for outputting a result of a desired logical operation of the multi-bit signal X and the multi-bit signal Y for each bit;
Second arithmetic means for outputting a propagation signal to the upper bits necessary for each bit in the first arithmetic means;
A third arithmetic means for outputting a control signal for controlling each of the first and second arithmetic means based on the signals X and Y for each bit;
Each of the second calculation means is composed of one optical pass gate for each bit, each optical pass gate is connected in series, and the control signal for each bit calculated by the third calculation means An optical logic circuit that is input to an optical pass gate.
請求項1記載の光論理回路において、
前記光パスゲートは、ナノフォトニクスの光ゲートであることを特徴とする光論理回路。
The optical logic circuit according to claim 1,
An optical logic circuit, wherein the optical pass gate is a nanophotonics optical gate.
請求項1または2記載の光論理回路において、
前記第1、第2、第3の演算手段の全てが光回路からなることを特徴とする光論理回路。
The optical logic circuit according to claim 1 or 2,
An optical logic circuit characterized in that all of the first, second and third arithmetic means are optical circuits.
請求項1または2記載の光論理回路において、
前記第1の演算手段は電気回路からなり、
前記第2、第3の演算手段は光回路からなることを特徴とする光論理回路。
The optical logic circuit according to claim 1 or 2,
The first computing means comprises an electric circuit,
The optical logic circuit, wherein the second and third arithmetic means are optical circuits.
請求項1乃至4のいずれか1項に記載の光論理回路において、
前記論理演算は、信号Xと信号Yの加算であることを特徴とする光論理回路。
5. The optical logic circuit according to claim 1, wherein:
An optical logic circuit characterized in that the logical operation is addition of a signal X and a signal Y.
複数ビットの信号Xと複数ビットの信号Yとの加算の結果をビット毎に出力する第1の演算手段と、
この第1の演算手段でのビット毎の加算に必要な、上位ビットへの伝搬信号である桁上げ信号をビット毎に出力する第2の演算手段と、
前記第1、第2の演算手段を制御する制御信号として前記信号X,Yの排他的論理和の結果をビット毎に出力するXORゲートと、
前記信号X,Yのビット毎の論理積の結果を前記第2の演算手段に入力するANDゲートとを備え、
前記第1、第2の演算手段は、ビット毎の構成がそれぞれ1つの光パスゲートからなり、前記第2の演算手段を構成する各光パスゲートが直列に接続され、前記XORゲートで演算されたビット毎の制御信号が対応するビットの光パスゲートに入力されることを特徴とする加算器。
First arithmetic means for outputting a result of addition of the multi-bit signal X and the multi-bit signal Y for each bit;
A second computing means for outputting a carry signal, which is a signal propagated to the upper bits, necessary for the addition for each bit in the first computing means;
An XOR gate that outputs the result of exclusive OR of the signals X and Y as a control signal for controlling the first and second arithmetic means;
An AND gate that inputs a logical product of each bit of the signals X and Y to the second arithmetic means;
Each of the first and second arithmetic means is composed of one optical pass gate, and each optical pass gate constituting the second arithmetic means is connected in series, and the bit calculated by the XOR gate. An adder characterized in that each control signal is input to an optical pass gate of a corresponding bit.
請求項6記載の加算器において、
前記第1の演算手段を構成する各光パスゲートは、前記XORゲートで演算されたビット毎の制御信号に応じて桁上げ信号またはその反転信号のいずれかを出力し、
前記第2の演算手段を構成する各光パスゲートは、前記XORゲートで演算されたビット毎の制御信号に応じて桁上げ信号または前記ANDゲートの出力信号のいずれかを出力することを特徴とする加算器。
The adder according to claim 6, wherein
Each optical pass gate constituting the first calculation means outputs either a carry signal or its inverted signal according to a bit-by-bit control signal calculated by the XOR gate,
Each optical pass gate constituting the second calculation means outputs either a carry signal or an output signal of the AND gate according to a bit-by-bit control signal calculated by the XOR gate. Adder.
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