JP6536959B2 - Optical logic circuit and adder - Google Patents
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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 logical operations with an optical circuit or a mixing circuit of an optical circuit and an electrical 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 present electronic arithmetic circuit, it is devised to reduce the chip size and the element size to the limit. The reason is that the resistance (R) and the capacitance (C) in the circuit greatly limit the signal propagation, and the only way to increase the operation speed is to reduce the chip size and the element size. Therefore, devices are packed into logic blocks and cores with a small area, and multi-core (many-core) and many-core (many cores) etc. are devised, but the wiring for connecting those cores is a new "delay" Limits to speeding up operations.
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 path gate used in optical communication can propagate an optical signal independently of C and R in the wiring path. In addition, with the development of nanophotonics, the energy consumption of the optical gate (optical path gate) is dramatically improved, and the energy cost [J / bit] is about the same as that of the CMOS gate. For this reason, various studies have been made to optimize 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 to be 10 −15 J / bit or less (including wires) (non- Patent Document 1). On the other hand, the energy cost of an optical gate of nanophotonics has been realized on the order of 10 -15 J / bit, and the energy cost is about the same as that of a CMOS gate (see Non-Patent Document 2). Moreover, the light gate of nano photonics is advantageous also in the aspect of shortening (refer nonpatent literature 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 operation process in a configuration in which optical path gates are combined will be described. By connecting 2 × 1 light path gates in a tree, a circuit can be configured to reproduce a look up table (LUT) for an n-digit input as shown in FIG. 14 (FIG. 15A). . The example of FIG. 14 and FIG. 15 (A) represents the case of n = 3.
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。 Reference numerals 11-1 to 11-7 in FIG. 15A denote optical path gates. Each of the optical path gates 11-1 to 11-7 selects one light path (the upper light path in the example of FIG. 15A) when the gate input is "1", and the gate input is "0". And select the other light path (lower light path). This path selection operation is the same in FIG. 3, FIG. 7, FIG. 8, FIG. 10 (FIG. 11 selects the opposite path). 1 stage optical pass gate 11-1 to 11-4 operates in response to the gate input C i, the light pass gates 11 - 5 and 11 - 6 in the second stage is operated in response to the gate input X i, 3-stage eye light pass gate 11-7 operates in response to the gate input Y i. FIG. 15B shows 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 is for outputting an optical signal of "0" or "1" for all combinations for n-digit input, and all operations for n-digit input. To do. The operation 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 the preparation of the answer. When a tree structure is configured using 2 × 1 optical path 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 placed at the answer of "1". For example, the logic block 10 in FIG. 15A is a circuit that performs the 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 the n-tiered tree structure, the same switch operation is performed simultaneously in all tiers in the same tier. In this way, the construction of the path 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 optical pass gates 11-1 to 11-4 and 2 of the first stage are provided. The stage optical pass gates 11-5 and 11-6 are switched to the upper side, the third stage optical pass gate 11-7 is switched to the lower side, and a path indicated by 14 is constructed. The equivalent circuit of the output path at this time is shown as shown 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 step is the output of the answer. Output a 1-bit signal prepared in advance through the constructed path. In the case of an electric circuit, the operations of the first and second stages can be realized very easily. In other words, a huge memory switch may be used to store 2 ^ n answers, and a path may be constructed 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 electrical 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 is degraded by n ^ 2. Therefore, in the electric circuit, connections as shown in FIG. 16 are used only when n <4 to 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 several proposals for making such circuits optically, that is, combining optical path gates like CMOS gates to construct a logic block (see Patent Document 1, Non-Patent Document 3, and Non-Patent Document 4). .
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-mentioned documents, there are proposed a technology for converting communication in a chip or between chips and a technology for converting a logic block. However, there has been a problem that there is no consideration to the operation path (critical path) which limits the operation time of the circuit, and the delay caused by the operation can not 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 to solve the above-mentioned problems, and the problem of delay occurring at the operation level is advanced not only within the chip and between the chips and between the chips, but also with finer particle sizes and progressing to the transistor level. It is an object of the present invention to provide an optical logic circuit and an adder that can solve the problem from the beginning. In the present invention, the calculation speed is dramatically improved by converting the critical path that limits the calculation in the electronic chip into an optical signal, rebuilding the path to a configuration suitable for the optical device, and shortening the path length. .
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、前記第1の演算手段の論理演算と異なる、前記信号X,Yのビット毎の論理演算の結果を前記第2の演算手段に入力する第4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、各光パスゲートは、前記第3の演算手段で演算された対応するビットの制御信号に応じて、下位ビットの光パスゲートからの前記伝搬信号と前記第4の演算手段で演算された対応するビットの演算結果のいずれかを選択して上位ビットに伝搬させることを特徴とするものである。 The optical logic circuit according to the present invention comprises: first operation means for outputting the result of desired logical operation of a plurality of bit signals X and a plurality of bit signals Y for each bit; and each bit in the first operation means And second control means for outputting the propagation signal to the upper bits for each bit, which is necessary for the logical operation of the second control bit, and control signals for controlling the first and second control means based on the signals X and Y A fourth operation means for outputting each time, and a fourth operation for inputting the result of the logical operation for each bit of the signals X and Y, which is different from the logical operation of the first operation means, to the second operation means And each of the second arithmetic means includes one optical path gate for each bit configuration, each optical path gate is connected in series, and each optical path gate is operated by the third arithmetic means. Lower bits according to the corresponding bit control signal It is characterized in that the propagating and selecting one of the transmission signal and the fourth of the corresponding bit of the operation result calculated by the calculating means from the light pass gate to the upper bits.
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、第4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、第4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、前記第1の演算手段での論理演算は、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 nano photonics optical gate.
In one configuration example of the optical logic circuit of the present invention, all of the first, second, third and fourth arithmetic means are optical circuits.
In one configuration example of the optical logic circuit according to the present invention, the first computing means comprises an electric circuit, and the second, third and fourth computing means comprise an optical circuit.
In one configuration example of the optical logic circuit of the present invention , the logical operation in the first operation means 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、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対応するビットの制御信号に応じて、前記第2の演算手段の下位ビットの光パスゲートからの前記桁上げ信号と前記ANDゲートで演算された対応するビットの論理積の結果のいずれかを選択して上位ビットに伝搬させ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することを特徴とするものである。
The adder according to the present invention further comprises: first operation means for outputting, for each bit, the result of addition of the signal X of a plurality of bits and the signal Y of a plurality of bits; and addition of each bit in the first operation means The second arithmetic means for outputting the carry signal, which is a propagation signal to the upper bits necessary for the second bit, for each bit, and the control signals for controlling the first and second arithmetic means exclude the signals X and Y as control signals. The XOR gate for outputting the result of the logical OR for each bit, and the AND gate for inputting the result of the bitwise AND of the signals X and Y to the second arithmetic means, the first and second The arithmetic means of each comprises one optical path gate for each bit configuration, each optical path gate constituting the second arithmetic means is connected in series, and the control signal for each bit calculated by the XOR gate corresponds Input to the optical path gate of Are, each light pass gates constituting said second calculating means in response to a control signal of the corresponding bit calculated by the XOR gates, the carry from the light pass gate of the lower bits of said second arithmetic means It is characterized in that any one of the result of the logical product of the signal and the corresponding bit operated by the AND gate is selected and propagated to the upper bit .
Further, in one configuration example of the adder according to the present invention, each of the optical path gates constituting the first arithmetic means includes a carry signal or its inverted signal according to the control signal for each bit calculated by the XOR gate. It is characterized in that either one is output.
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 operation means for outputting the result of the desired logical operation of the signal X of multiple bits and the signal Y of multiple bits for each bit, and the logical operation for each bit in the first operation means A second operation means for outputting the propagation signal to the upper bits for each bit, and a control signal for controlling the first and second operation means based on the signals X and Y for each bit. The third arithmetic means is provided, the configuration for each bit of the second arithmetic means is one light path gate, each optical path gate is connected in series, and the control signal for each bit calculated by the third arithmetic means is supported. Calculation path (critical path) that limits the operation time of the circuit can be reconstructed to a configuration suitable for optical elements, and the length of the critical path can be shortened. Light propagating in 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。 Further, according to the present invention, the first operation means for outputting the result of addition of the signal X of plural bits and the signal Y of plural bits for each bit, and the addition required for each bit in the first operation means The result of the exclusive OR of the signals X and Y is used as a control signal for controlling the first and second operation means, and the second operation means for outputting the carry signal, which is a propagation signal to the upper bits, for each bit. An XOR gate for outputting each bit and an AND gate for inputting the result of AND operation of each bit of the signals X and Y to the second arithmetic means are provided. The configuration of each bit of the first and second arithmetic means Each of the optical path gates constituting the second arithmetic means is connected in series as one optical path gate, and the bit-by-bit control signal calculated by the XOR gate is input to the optical path gate of the corresponding bit. Operation that limits the operation time of The path (critical path) can be reconstructed to a configuration suitable for optical elements, the length of the critical path can be shortened, and the addition of the signals X and Y is performed at the propagation speed of light propagating through the critical path It becomes possible.
[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. The present invention solves the problem of the third stage process in the electric circuit described in FIG. That is, the propagation of the optical signal utilizes a feature that is independent of neither the capacitor (C) nor the resistance (R) of the path. Such an optical conversion makes it possible to complete the calculation at the time when the optical signal propagates 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 calculation path (critical path) that limits the calculation time of the circuit is reconstructed to a configuration suitable for the optical device by the method shown below, and the path length is shortened by miniaturizing the optical device by nanophotonics. By doing this, you can dramatically improve the computing speed.
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 FIG. 1 (A) and FIG. 1 (B). Here, as shown in FIG. 1 (A), the serial connection is a connection in which the sources and drains of the transistors 12 of the logic blocks 10 of the front and rear stages are connected in series, and the cascade connection is as shown in FIG. It is defined as a connection in which a signal that has passed through the transistor 12 of the final stage of the logic block 10 of the previous stage is input to the gate of the transistor 12 of the first stage of the logic block 10 of the next stage.
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 the adder (X + Y), it can be a combination of logical blocks of three inputs (X i, Y i, C i). Here, X i, Y i is i-th digit of the value to be added, C i is the value of the carry from i-1 digits. When a 3-input logic block is configured by a LUT, a carry operation can be realized by using the C i + 1 output array in FIG. 14 as the answer in FIG. 15A, and the answer in FIG. By using the output array of S i in FIG. 14, addition 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, the combination of logic blocks 10 is represented using the equivalent circuit of FIG. Upper logic blocks 10-1 to 10-4 are logic blocks for calculating carry values C i +1 , C i +2 , C i +3 , and C i +4 , and lower logic blocks 10-5 to 10 -8 is a logic block which 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 adding X consisting of a plurality of bits and Y consisting of a plurality of bits, logic blocks 10-5 to 10-8 perform addition for each digit, and logic blocks 10-1 to 10-4 perform high-order digits. Calculate 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 one that determines the operation time is the longest path (critical path). In the present invention, it is proposed to actively use the serial connection and to use this connection for the critical path of operation. The method will be described by giving 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 path of the circuit of FIG. 2 and FIG. 3 is extracted. The structure which extracted the critical path of the adder shown to FIG. 2, FIG. 3 is shown in FIG. The path indicated by 15 in FIGS. 2 to 4 is a critical path. The construction is such that the logic block 10 of the next stage can not be operated if the path taken by the carry signal is the longest and the carry operation of the logic block 10 of the previous stage is not completed. In the case of an electrical circuit, the time taken for 32-bit addition 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, minimize the critical path. The single digit operation in FIG. 4 is performed by three transistors 12 (optical path gates) serially connected on the critical path, but all of these operations are necessarily performed on the optical path 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, using the results of operations performed by XOR (exclusive OR) gates 21-1 to 21-3 outside the critical path 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. It is possible to serially change the signals input in the cascade according to the condition of the operation. In the example of FIG. 5, the carry signal Ci + 1 from the i digit is input to the optical pass gate 20-2 of the i + 1 digit, and the carry signal Ci + 2 from the i + 1 digit is to the optical pass gate 20-3 with i + 2 digit It has a serial connection like 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, construction of the path of the critical path can be performed simultaneously in each digit, and the construction time of the path becomes independent of the number (number of digits) of optical path gates on the critical path. Furthermore, since the carry operation is completed only by passing the optical signal through the constructed path, the operation time is 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-bit X and Y are added is described as an example. The adder according to this 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 (non-conjunction) gates 33-1 to 33-3 and XOR (exclusive OR) gates 34-1 to 34-3. Note that the present embodiment is an example of a configuration in which all signals and circuits are converted to light.
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. A logical product is calculated, and the AND gate 32-3 calculates a 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 is the gate input signal of the 1 × 1 optical path gate 30-1, and the output signal of the AND gate 32-2 is the gate input signal of the 1 × 1 optical path gate 30-2 The output signal 3 is the gate input signal of the 1 × 1 optical path 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 NAND 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 computes the NAND of the values X 3 and Y 3 of the third digit X and Y.
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 path gate 30-4, and the output signal of the NAND gate 33-2 becomes the gate input signal of the 1 × 1 optical path gate 30-5. The output signal 3 is the gate input signal of the 1 × 1 optical path 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。 XOR gate 34-1, the first digit of the X, calculates the exclusive OR of the values X 1, Y 1 of the Y, XOR gate 34-2, the second digit of X, the values of Y X 2, Y The XOR gate 34-3 calculates the exclusive OR of the values X 3 and Y 3 of the third digit X and Y.
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 is the gate input signal of the 2 × 1 optical path gates 31-1, 31-4 and 31-7, and the output signal (control signal) of the XOR gate 34-2 is 2 × The gate input signal of the 1 optical path gate 31-2, 31-5, 31-8, and the output signal (control signal) of the XOR gate 34-3 is of 2 × 1 optical path gate 31-3, 31-6, 31-9. It becomes 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 is constituted by the optical pass gates 320-322. Each of the optical path gates 320 to 322 selects one optical path (the 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。 1 stage optical pass gate 320 and 321 operate in response to gate input X i, 2 stage optical pass gate 322 operates in response to the gate input Y i. As in the case of the logic block described in FIG. 15A, it is necessary to prepare four answers in advance for two inputs X 1 and Y 1 . Therefore, the light source may be disposed at the answer of “1” and light may be input. 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 is configured by the optical pass gates 340-342. 1 stage optical pass gate 340 and 341 operate in response to gate input X i, 2 stage optical pass gate 342 operates in response 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 in advance for the two inputs of X 1 and Y 1 , and a light source is placed at the answer of “1” to Just 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 be easily realized by a combination of optical path 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 path gates 30-1 to 30-3 are turned on when the gate inputs from the AND gates 32-1 to 32-3 are “1” to pass the optical signal from the input path, When the input is “0”, it turns off and blocks the light signal. 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". It will be 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。 The output signals of the 1 × 1 optical path gates 30-1 to 30-6 are input to 2 × 1 optical path 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 light path gate 30-1 to 30-6 to 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 path gates 31-1 to 31-3 select one of the optical paths (the 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 light path (the outputs of the 1 × 1 light path gates 30-1 to 30-3) is selected. The output signal of the 2 × 1 optical pass gate 31-1 to 31-3 become the carry signal C 2 -C 4 for the higher digit. For example carry signal C 2 is input to the 2 × 1 optical pass gate 31-2,31-8, the carry signal C 3 is inputted to the 2 × 1 optical pass gate 31-3,31-9.
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。 When the gate inputs from the XOR gates 34-1 to 34-3 are "0", the 2 × 1 optical path gates 31-4 to 31-6 select one of the optical paths (1 × 1 optical path gates 30-4 to 30-. 6) and select the other light path (the carry signal bars C 1 to C 3 ) when the gate input is “1”.
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 signals of the 2 × 1 light path gates 31-4 to 31-6 become carry signals C 2 to C 4 which are complementary to the carry signals C 2 to 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。 2 × 1 optical pass gate 31-7~31-9 is one light path when the gate input from the XOR gate 34-1~34-3 is "1" (carry signal bar C 1 ~ bar C 3) Is selected, and when the gate input is “0”, the other light path (the carry signals C 1 to C 3 ) is selected. The output of the 2 × 1 optical pass gate 31-7~31-9 is the output signal S 1 to S 3, which shows the results of each digit of the summing.
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。 Incidentally, since the carry signal C 1 is used in the first digit of the operation is "0", it is necessary to enter a "1" At the as complementary carry signal bar C 1, 2 × 1 optical pass gates 31 the input of the bar C 1 of -4,31-7 it is necessary to input light using a light source.
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 of FIG. 5, and the result of the XOR operation 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 is propagated.
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 the light to the optical path gate serially connected on the critical path. Addition of each digit is computed using a branch signal from the critical path, and the computation does not affect other digits. That is, it is possible to perform the addition 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, and the same reference numerals as in FIG. 6 denote the same components. The adder according to this embodiment includes 1 × 1 optical pass gates 30-1 to 30-3, 2 × 1 optical pass gates 31-1 to 31-3, 31 to 7 to 31, and an AND gate 32-1. .About.32-3, XOR gates 34-1 to 34-3, and light / light 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 critical path 16 shown in FIG. 6 is used to generate inverted signals bar C 2 and bar C 3 of the carry signals C 2 and C 3 . Therefore, if a circuit having an inversion function is used, the circuits in the lower part 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 It is possible to omit ~ 33-3.
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 this embodiment, the light-optical gate 35-1 produces an inverted signal bar C 2 from the carry signal C 2 which is output from the 2 × 1 optical pass gate 31-1, a 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 light-optical gate 35-2, 2 × 1 optical pass gate generates an inverted signal bar C 3 from the carry signal C 3 outputted from 31-2, the carry signal C 3 and the inverted signal bar C 3 And are input to the 2 × 1 optical pass gate 31-9.
The other configuration is as 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 the detailed configuration of the adder of the present embodiment shown in FIG. In the example of FIG. 10, a configuration in which 4 bits of X and Y are added is shown.
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 shown 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. 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 the present embodiment, the configuration can be simplified as compared with the first embodiment.
Incidentally, FIG. 9, in the example of FIG. 10, but omitting the circuit of the lower of FIG. 6, the carry signal bar C 2 calculated in the circuit of the lower, the inverted signal C 2, C 3 of the bar C 3 By generating the light / light gate, the circuit in the upper part of FIG. 6, that is, 1 × 1 light path gate 30-1 to 30-3, 2 × 1 light path gate 31-1 to 31-3 and AND gate 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 according to the present embodiment, and the same reference numerals as in FIG. 6 denote the same components. The adder according to this embodiment includes: 1 × 1 optical path gates 30-1 to 30-3, 2 × 1 optical path gates 31-1 to 31-3, AND gates 32-1 to 32-3, and an XOR gate 34-1 to 34-3, electric 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, since the addition is completed for each digit and does not affect other digits, the middle stage circuit shown in FIG. 9, that is, 2 × 1 optical pass gates 31-7 to 31-9 and light -Even when the portions of the optical gates 35-1 and 35-2 are processed by the electric signal, it is possible to obtain an operation speed substantially equal to that of the case of using light.
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 electric path (the 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 electrical signal corresponding to "1" as an inverted signal bar C 1 to an electrical switch 37-1.
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 path gate 31-1 into an electric signal, and at the same time, the inverted signal bar C of the converted carry signal C 2 It generates two inputs and carry signal C 2 and the inverted signal bar C 2 to an electrical 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 path gate 31-2 into an electrical signal, and at the same time, inverts the converted carry signal C 3 It generates a signal bar C 3, to enter the the carry signal C 3 and the inverted signal bar C 3 to an electrical switch 37-3.
The other configuration is as 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。 Further, 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 gate 30-1 to 30. The combination of -3 and the light source associated therewith may be replaced with a light source which is turned on when the gate input from the AND gates 32-1 to 32-3 is "1". Since these parts exist outside the critical path, even if these parts are processed with electrical signals, it is possible to obtain approximately the same computing time as when using light. As in the present embodiment, even if only the path that constitutes the upper critical path 15 is replaced with light and the other circuits are electrically, it is possible to execute the calculation 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 have a configuration in which the opticalization has been advanced to the transistor level, and the fusion of the electronic circuit and the optical circuit is facilitated, and the field of expertise of the electronic circuit Both ultra-high-throughput, ultra-high-throughput computing) and optical circuit expertise (ultra-low-latency computing that completes computation at the propagation speed of light while propagating information at the speed of light) This makes it possible to solve the problem of the electronic circuit whose operating frequency is in a plateau.
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 an adder has been described. However, when the circuit has a critical path, (an operation completed for each digit and an operation affected by other digits are It goes without saying that in some cases, the present invention can be applied to circuits other than adders, in which operations affected by other digits become critical paths. For example, when the circuit configuration is changed as follows, it becomes a subtractor. Specifically, all signals of the input Y are input as the logical negation of Y, and a logical value 1 is input to the least significant digit C 1 , that is, “1” is input as the signal C 1. If you do not enter the bar C 1. Thus, the configuration of the adder can be applied to various arithmetic circuits, and examples of the application include a multiplier, a divider, or a coincidence detection circuit that detects a matching bit string from 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。 Moreover, shortening = speeding-up can be achieved by using the optical gate (nonpatent literature 5, 6) of a nano photonics as an optical path gate.
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。 The path gates (31-1 to 31-6) on the critical path may be configured so that electrical path switching can be performed, and the gate does not have to be operated by an optical signal. This makes it possible to use conventional optical devices.
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 logical operations performed by an optical circuit or a mixed circuit of an optical circuit and an electrical 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 ... 1 x 1 optical path gate, 31-1 to 31-9 ... 2 x 1 optical path gate, 32-1 to 32-3 ... AND gate, 33-1 to 33-3 ... NAND gate, 34-1 to 34-3 ... XOR gate, 35-1 and 35-2 ... light and optical gate, 36-2 to 36-4 ... SUM gate, 37-1 to 37-3 ... electric switch, 38-1, 38-2 ... OE converter, 320-322, 340-342, 361 ... light path gate, 360 ... NOT gate.
Claims (7)
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、
前記第1の演算手段での論理演算と異なる、前記信号X,Yのビット毎の論理演算の結果を前記第2の演算手段に入力する第4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、
各光パスゲートは、前記第3の演算手段で演算された対応するビットの制御信号に応じて、下位ビットの光パスゲートからの前記伝搬信号と前記第4の演算手段で演算された対応するビットの演算結果のいずれかを選択して上位ビットに伝搬させることを特徴とする光論理回路。 First operation means for outputting, for each bit, the result of a desired logical operation of a plurality of bit signals X and a plurality of bit signals Y;
A second operation means for outputting, for each bit, a propagation signal to the upper bits necessary for the bitwise logical operation in the first operation means;
Third operation means for outputting a control signal for controlling the first and second operation means based on the signals X and Y for each bit ;
And fourth operation means for inputting the result of the logical operation for each bit of the signals X and Y, which is different from the logical operation in the first operation means, to the second operation means ,
In the second arithmetic means, the configuration of each bit consists of one optical path gate, and each optical path gate is connected in series,
Each of the optical path gates includes the propagation signal from the optical path gate of the lower bit and the corresponding bit operated by the fourth operation means in accordance with the control signal of the corresponding bit operated by the third operation means. An optical logic circuit characterized in that any one of the operation results is selected and propagated to the upper bits .
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。 In the optical logic circuit according to claim 1,
An optical logic circuit characterized in that the optical pass gate is a nano photonics optical gate.
前記第1、第2、第3、第4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。 In the optical logic circuit according to claim 1 or 2,
An optical logic circuit, wherein all of the first, second, third and fourth arithmetic means are optical circuits.
前記第1の演算手段は電気回路からなり、
前記第2、第3、第4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。 In the optical logic circuit according to claim 1 or 2,
The first computing means comprises an electric circuit,
An optical logic circuit characterized in that the second, third and fourth calculation means comprise an optical circuit.
前記第1の演算手段での論理演算は、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。 The optical logic circuit according to any one of claims 1 to 4.
An optical logic circuit characterized in that the logical operation in the first operation means is the addition of a signal X and a signal Y.
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、
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対応するビットの制御信号に応じて、前記第2の演算手段の下位ビットの光パスゲートからの前記桁上げ信号と前記ANDゲートで演算された対応するビットの論理積の結果のいずれかを選択して上位ビットに伝搬させることを特徴とする加算器。 First operation means for outputting the result of addition of the plurality of bit signals X and the plurality of bit signals Y for each bit;
A second operation means for outputting, for each bit, a carry signal as a propagation signal to the upper bits necessary for the addition for each bit in the first operation means;
An XOR gate which outputs the result of the exclusive OR of the signals X and Y as a control signal for controlling the first and second arithmetic means, bit by bit;
And an AND gate for inputting the result of the bitwise AND operation of the signals X and Y to the second operation means,
Each of the first and second operation means has a configuration for each bit consisting of one optical path gate, each optical path gate constituting the second operation means is connected in series, and the bit operated by the XOR gate Each control signal is input to the optical path gate of the corresponding bit ,
Each of the optical path gates constituting the second arithmetic operation means receives the carry signal from the optical path gate of the lower bit of the second arithmetic operation means according to the control signal of the corresponding bit operated by the XOR gate An adder characterized in that any one of the results of the logical product of corresponding bits operated by the AND gate is selected and propagated to the upper bits .
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することを特徴とする加算器。 In the adder according to claim 6,
Wherein each light pass gates constituting the first calculating means, adder and outputting either the carry signal or the inverted signal in response to the control signal for each of the bits calculated by the XOR gates.
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