JP6707752B2 - Optical multiplier and optical multiplication method - Google Patents

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  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Description

本発明は、乗算のための光回路を用いた光乗算器および光乗算方法に関する。 The present invention relates to an optical multiplier using an optical circuit for multiplication and an optical multiplication method.

現在の電子演算回路は、演算の処理速度を向上させるため、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。これは、回路内の抵抗(R)とキャパシタンス(C)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。このため、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・メニーコア化などの工夫がなされているが、これらをつな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。 Current electronic arithmetic circuits have been devised to reduce the chip size and element size to the utmost in order to improve the arithmetic processing speed. This is because the resistance (R) and the capacitance (C) in the circuit largely control the propagation of signals, and therefore the only way to increase the operation speed is to reduce the chip size and element size. For this reason, devices such as multi-core/many-core have been devised by packing elements in narrow-area logic blocks and cores, but the wiring to connect them creates a new "delay" and limits the speed of calculation. I can see it.

一方、光通信などで用いられる光配線や光パスゲートは、この配線経路内の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、光ゲートの消費エネルギーは飛躍的に改善され、このエネルギーコスト[J/bit]は、CMOSゲートと光パスゲートとで同程度のレベルになりつつある。このため、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. Further, with the progress of nanophotonics, the energy consumption of the optical gate has been dramatically improved, and the energy cost [J/bit] is about the same level for the CMOS gate and the optical pass gate. For this reason, various studies have been made on opticalizing communication inside and between chips.

ここで、光ゲートの電気制御ポート側から信号入力する接続形態をカスケード接続、スイッチの光伝搬経路が連続的に接続されている形態をシリアル接続と定義する。例えばシリアル接続とカスケード接続が混在した光電融合型の回路を想定した場合、カスケード接続の部分が光と電気の境界となる。この境界において、回路中を伝搬する光信号は一度電気に変換(OE変換)されることになる。この変換は、電気回路に律速されるため、OE変換の多用される回路は、光を使うことのメリットが小さい。このため、光と電気の境界、つまりカスケード接続の配置場所と数が、回路構成の重要なポイントとなる。以下では、乗算器についてこの問題を検討する。 Here, a connection form in which a signal is input from the electric control port side of the optical gate is defined as a cascade connection, and a form in which the light propagation paths of the switches are continuously connected is defined as a serial connection. For example, assuming an optoelectronic circuit in which serial connection and cascade connection are mixed, the portion of the cascade connection is the boundary between light and electricity. At this boundary, the optical signal propagating through the circuit is once converted into electricity (OE conversion). Since this conversion is rate-controlled by an electric circuit, a circuit that is frequently used for OE conversion has little merit in using light. Therefore, the boundary between light and electricity, that is, the arrangement location and the number of cascade connections are important points in the circuit configuration. In the following, we consider this problem for multipliers.

最初に、光伝搬経路中にOE変換を配置しない構成の光乗算器を検討する。非特許文献1において、2×2光パスゲートを用いれば、任意の論理関数をシリアル接続のみで実現可能であると示している。非特許文献1で提案されている「Direct Logic」を用いることで、任意の論理関数を光の伝搬速度で演算することができる(非特許文献2)。しかし、複雑な論理関数では入力数に対して指数関数のオーダの素子数が必要になるものもあり、乗算もその例に含まれる。 First, consider an optical multiplier having a configuration in which OE conversion is not arranged in the optical propagation path. Non-Patent Document 1 shows that an arbitrary logical function can be realized only by serial connection by using a 2×2 optical pass gate. By using the "Direct Logic" proposed in Non-Patent Document 1, it is possible to calculate an arbitrary logical function at the propagation speed of light (Non-Patent Document 2). However, some complex logic functions require the number of elements in the order of exponential function with respect to the number of inputs, and multiplication is included in the example.

非特許文献3では、光パスゲートに適した回路アーキテクチャとして二分決定グラフ(Binary Decision Diagram)に基づく回路構成を提案している。こちらの方法でも任意の論理関数をシリアル接続のみで実現可能である。しかしながら、「Direct Logic」と同様に、乗算などを用いる論理関数では必要な素子数が指数オーダとなる。したがって、「Direct Logic」や二分決定グラフによってOE変換なしで乗算器を構成することは現実的ではないといえる。 Non-Patent Document 3 proposes a circuit configuration based on a binary decision diagram as a circuit architecture suitable for an optical pass gate. Even with this method, any logical function can be realized only by serial connection. However, as in the case of “Direct Logic”, the required number of elements is an exponential order in a logical function using multiplication or the like. Therefore, it can be said that it is not realistic to configure the multiplier by the “Direct Logic” or the binary decision graph without the OE conversion.

次に、OE変換を用いることを前提に乗算器の回路構成を考えてみる。乗算器は、2進数で表される2つのデータを入力とし、これらの積を2進数データとして出力する演算回路である。図14に、4ビットの整数x3210とy3210に対する乗算の計算過程を示す。pijを部分積と呼び、この部分積は、xiとyjの論理積により求められる。部分積pijを図14に示すように桁ごとに加算することで、乗算結果s6、s5、・・・、s0を求めることができる。並列乗算器は、上述した過程を1クロックサイクルで実現する乗算回路である。 Next, consider the circuit configuration of the multiplier on the assumption that OE conversion is used. The multiplier is an arithmetic circuit that inputs two data represented by a binary number and outputs a product of these as binary number data. FIG. 14 shows a calculation process of multiplication for 4-bit integers x 3 x 2 x 1 x 0 and y 3 y 2 y 1 y 0 . p ij is called a partial product, and this partial product is obtained by the logical product of x i and y j . By adding the partial products p ij for each digit as shown in FIG. 14, the multiplication results s 6 , s 5 ,..., S 0 can be obtained. The parallel multiplier is a multiplication circuit that realizes the above process in one clock cycle.

一般的な並列乗算器は、部分積生成部と部分積加算部で構成される。部分積生成部は、論理積演算(以下AND)ゲートを用いることで実現される。一方、部分積加算部には、配列型やウォリス木型などの構成が存在する。配列型乗算器の部分積加算部は、図15に示すように全加算器(FA)をアレイ状に多数段接続する。最大で2(N−1)個の全加算器を通過する信号パスが存在するため、演算時間はこの加算過程に律速される。 A general parallel multiplier is composed of a partial product generator and a partial product adder. The partial product generation unit is realized by using a logical product operation (hereinafter, AND) gate. On the other hand, the partial product addition unit has configurations such as an array type and a Wallis tree type. The partial product adder of the array type multiplier connects a large number of full adders (FA) in an array as shown in FIG. Since there is a signal path that passes through a maximum of 2(N-1) full adders, the operation time is rate-controlled in this addition process.

ウォリス木型乗算器の部分積加算部は、図16に示すように、同一桁内の加算を並列化することで、FAの段数を減らして高速化を行っている。また各桁の桁上げを処理するために、最後に桁上げ先見加算器(Carry Lookahead Adder:CLA)を用いている。 As shown in FIG. 16, the partial product addition unit of the Wallis tree type multiplier parallelizes the addition within the same digit, thereby reducing the number of FA stages and increasing the speed. In addition, a carry lookahead adder (CLA) is used at the end to process the carry of each digit.

ここで、全加算器を光パスゲートで実現した例を、図17を用いて説明する(非特許文献4)。この全加算器は、強度情報が“1”の光信号を出力する光源501,502と、pass/block型の光ゲート503,504と、pass/cross型の光ゲート505〜507と、OE変換器508〜510とを備える。 Here, an example in which the full adder is realized by an optical pass gate will be described with reference to FIG. 17 (Non-Patent Document 4). This full adder includes light sources 501 and 502 that output an optical signal whose intensity information is “1”, pass/block type optical gates 503 and 504, pass/cross type optical gates 505 to 507, and OE conversion. And vessels 508-510.

OE変換器508,509は、光信号xiを電気信号に変換する。OE変換器510は、光信号yiを電気信号に変換する。なお、xiの代わりに光信号yiをOE変換器508に入力してもよい。
光ゲート503は、電気信号xiが“1”であるときに光源501からの光信号を通過させ、電気信号xiが“0”であるときに光源501からの光信号を遮断する。光ゲート504は、電気信号xiが“1”であるときに光源502からの光信号を遮断し、電気信号xiが“0”であるときに光源502からの光信号を通過させる。なお、xiの代わりに電気信号yiを光ゲート503,504の電気制御入力としてもよい。
The OE converters 508 and 509 convert the optical signal x i into an electric signal. The OE converter 510 converts the optical signal y i into an electric signal. The optical signal y i may be input to the OE converter 508 instead of x i .
Optical gate 503 passes the optical signal from the light source 501 when the electric signal x i is "1", the electrical signal x i blocks the optical signal from the light source 501 when it is "0". The optical gate 504 blocks the optical signal from the light source 502 when the electrical signal x i is “1”, and passes the optical signal from the light source 502 when the electrical signal x i is “0”. The electrical signal y i may be used as the electrical control input of the optical gates 503 and 504 instead of x i .

光ゲート505は、電気信号xi,yiが共に“1”または共に“0”であるときに光ゲート503の出力を選択して出力し、電気信号xiが“1”で電気信号yiが“0”、または電気信号xiが“0”で電気信号yiが“1”であるときに、光信号Ciを選択して出力する。光ゲート506は、電気信号xi,yiが共に“1”または共に“0”であるときに光信号Ciを選択して出力し、電気信号xiが“1”で電気信号yiが“0”、または電気信号xiが“0”で電気信号yiが“1”であるときに、光信号バーCiを選択して出力する。光ゲート507は、電気信号xi,yiが共に“1”または共に“0”であるときに光ゲート504の出力を選択して出力し、電気信号xiが“1”で電気信号yiが“0”、または電気信号xiが“0”で電気信号yiが“1”であるときに、光信号バーCiを選択して出力する。 The optical gate 505 selects and outputs the output of the optical gate 503 when the electric signals x i and y i are both “1” or both “0”, and the electric signal x i is “1” and the electric signal y is y. When i is “0” or the electric signal x i is “0” and the electric signal y i is “1”, the optical signal C i is selected and output. The optical gate 506 selects and outputs the optical signal C i when the electrical signals x i and y i are both “1” or both “0”, and the electrical signal x i is “1” and the electrical signal y i is selected. Is "0", or the electrical signal x i is "0" and the electrical signal y i is "1", the optical signal bar C i is selected and output. The optical gate 507 selects and outputs the output of the optical gate 504 when the electrical signals x i and y i are both “1” or both “0”, and the electrical signal x i is “1” and the electrical signal y is When i is “0”, or the electric signal x i is “0” and the electric signal y i is “1”, the optical signal bar C i is selected and output.

J. Hardy et al., "Optics inspired logic architecture", Optics Express, vol. 15, no. 1, pp. 150-165, 2007.J. Hardy et al., "Optics inspired logic architecture", Optics Express, vol. 15, no. 1, pp. 150-165, 2007. Q. Xu et al., "Reconfigurable optical directed-logic circuits using microresonator-based optical switches", Optics Express, vol. 19, no. 6, pp. 5244-5259, 2011.Q. Xu et al., "Reconfigurable optical directed-logic circuits using microresonator-based optical switches", Optics Express, vol. 19, no. 6, pp. 5244-5259, 2011. 浅井哲也 他、「二分決定グラフにもとづくフォトニック結晶集積デバイス」、2000年電子情報通信学会総合大会講演論文集、 386−387頁、2000年。Tetsuya Asai et al., “Photonic crystal integrated device based on binary decision graph”, Proc. of the 2000 IEICE General Conference, 386-387, 2000. 石原亨 他、「光パスゲート論理に基づく並列加算回路の提案と光電混載回路シミュレータによる動作検証」、信学技報、 vol. 116, no. 94, pp. 109−114頁、2016年。Toru Ishihara et al., “Proposal of Parallel Adder Circuit Based on Optical Pass Gate Logic and Operation Verification by Photoelectric Mixed Circuit Simulator”, IEICE Tech., vol.

上述した全加算器では、光信号xi、yiをOE変換する必要があるため、FAの数に対応するOE変換回数が必要になる。またこの回数は、入力の桁数に依存し、かつ、OE変換時間は光パスゲートにおける伝播遅延時間の数倍〜数十倍であるため、入力桁の多いほどOE変換に要する遅延時間が支配的となり、高速な演算処理が行えない。以上の理由から、配列型乗算器およびウォリス木型乗算器の構成は、より高速な光並列乗算器の構成としては適していないといえる。上述した全加算器は、2進数で部分積加算を演算するために用いられており、このことにより、乗算の演算速度がOE変換で律速される原因となっている。 In the above-described full adder, since it is necessary to perform OE conversion on the optical signals x i and y i , the number of times of OE conversion corresponding to the number of FA is required. The number of times depends on the number of digits of the input, and the OE conversion time is several times to several tens of times of the propagation delay time in the optical pass gate. Therefore, the delay time required for the OE conversion is dominant as the number of input digits increases. Therefore, high-speed arithmetic processing cannot be performed. From the above reason, it can be said that the configurations of the array-type multiplier and the Wallis tree-type multiplier are not suitable as the configuration of the faster optical parallel multiplier. The above-described full adder is used to calculate the partial product addition by a binary number, which causes the calculation speed of multiplication to be limited by the OE conversion.

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、より高速に光乗算ができるようにすることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and an object thereof is to enable optical multiplication at a higher speed.

本発明に係る光乗算器は、Nビット(Nは2以上の整数)の第1デジタル信号と、Nビットの第2デジタル信号とによるN×N個の部分積を生成する部分積生成部と、部分積を桁統合しながら加算して加算値を生成する加算部と、加算値をアナログデジタル変換してデジタル値を生成する変換部と、デジタル値をデジタル加算するデジタル加算部とを備える。 An optical multiplier according to the present invention includes a partial product generation unit that generates N×N partial products of an N-bit (N is an integer of 2 or more) first digital signal and an N-bit second digital signal. An adding section that adds the partial products while integrating them into digits to generate an added value, a conversion section that analog-digital converts the added value to generate a digital value, and a digital adding section that digitally adds the digital values.

上記光乗算器において、部分積生成部および加算部は、部分積の生成に対して各々異なる波長の光を対応させて、部分積の生成および加算値の生成を波長多重で同時に処理する。 In the above-mentioned optical multiplier, the partial product generation unit and the addition unit correspond to the generation of partial products with lights of different wavelengths, and simultaneously perform generation of partial products and generation of addition values by wavelength multiplexing.

上記光乗算器において、部分積生成部は、2次のブースの方法により部分積を生成する。 In the above optical multiplier, the partial product generating unit generates a partial product by the second-order Booth method.

本発明に係る光乗算方法は、Nビット(Nは2以上の整数)の第1デジタル信号と、Nビットの第2デジタル信号とによるN×N個の部分積を生成する第1ステップと、部分積を桁統合しながら加算して加算値を生成する第2ステップと、加算値をアナログデジタル変換してデジタル値を生成する第3ステップと、デジタル値をデジタル加算する第4ステップとを備える。 An optical multiplication method according to the present invention includes a first step of generating N×N partial products of an N-bit (N is an integer of 2 or more) first digital signal and an N-bit second digital signal. The method further comprises a second step of adding the partial products while integrating the digits and generating an added value, a third step of analog-digital converting the added value to generate a digital value, and a fourth step of digitally adding the digital value. ..

以上説明したことにより、本発明によれば、より高速に光乗算ができるという優れた効果が得られる。 As described above, according to the present invention, an excellent effect that optical multiplication can be performed at higher speed can be obtained.

図1は、本発明の実施の形態における光乗算器の構成を示す構成図である。FIG. 1 is a configuration diagram showing a configuration of an optical multiplier according to an embodiment of the present invention. 図2は、本発明の実施の形態における光乗算方法を説明するためのフローチャートである。FIG. 2 is a flowchart for explaining the optical multiplication method according to the embodiment of the present invention. 図3は、本発明の概念を説明するための説明図である。FIG. 3 is an explanatory diagram for explaining the concept of the present invention. 図4は、部分積生成部101の構成例を示す構成図である。FIG. 4 is a configuration diagram illustrating a configuration example of the partial product generation unit 101. 図5は、4ビットの乗算におけるziの2進数への変換工程を説明するための説明図である。FIG. 5 is an explanatory diagram for explaining a process of converting z i into a binary number in 4-bit multiplication. 図6Aは、桁統合を施さない場合の16ビットの乗算におけるziの2進数への変換工程を示す説明図である。FIG. 6A is an explanatory diagram showing a conversion step of z i into a binary number in 16-bit multiplication when digit unification is not performed. 図6Bは、桁統合を施した場合の16ビットの乗算におけるziの2進数への変換工程を示す説明図である。FIG. 6B is an explanatory diagram showing a process of converting z i into a binary number in 16-bit multiplication when digit integration is performed. 図7Aは、加算部102を構成する回路について説明する構成図である。FIG. 7A is a configuration diagram illustrating a circuit configuring the adder 102. 図7Bは、方向性結合器201の構成例を示す構成図である。FIG. 7B is a configuration diagram showing a configuration example of the directional coupler 201. 図8Aは、変換部103の構成例を示す構成図である。FIG. 8A is a configuration diagram showing a configuration example of the conversion unit 103. 図8Bは、符号化器203の構成例を示す構成図である。FIG. 8B is a configuration diagram showing a configuration example of the encoder 203. 図9は、部分積生成部101および加算部102における波長多重による構成例を示す構成図である。FIG. 9 is a configuration diagram showing a configuration example of wavelength division multiplexing in the partial product generation unit 101 and the addition unit 102. 図10は、16ビット×16ビットの乗算を説明するための説明図である。FIG. 10 is an explanatory diagram for explaining multiplication of 16 bits×16 bits. 図11は、2次のブースの方法による符号化回路の構成例を示す構成図である。FIG. 11 is a configuration diagram showing a configuration example of an encoding circuit according to the method of the secondary Booth. 図12は、2次のブースの方法と波長多重を併用した構成例を示す構成図である。FIG. 12 is a configuration diagram showing a configuration example in which the secondary booth method and wavelength multiplexing are used together. 図13は、16ビット×16ビットの場合において、波長多重化と2次のブースの符号化を行う状態を説明するための説明図である。FIG. 13 is an explanatory diagram for explaining a state in which wavelength multiplexing and secondary Booth encoding are performed in the case of 16 bits×16 bits. 図14は、4ビットの整数x3210とy3210に対する乗算の計算過程を示す説明図である。FIG. 14 is an explanatory diagram showing a calculation process of multiplication for 4-bit integers x 3 x 2 x 1 x 0 and y 3 y 2 y 1 y 0 . 図15は、配列型乗算器の部分積加算部の構成を示す構成図である。FIG. 15 is a configuration diagram showing the configuration of the partial product addition unit of the array type multiplier. 図16は、ウォリス木型乗算器の部分積加算部の構成を示す構成図である。FIG. 16 is a configuration diagram showing the configuration of the partial product addition unit of the Wallis tree multiplier. 図17は、光パスゲートで実現した全加算器の構成を示す構成図である。FIG. 17 is a configuration diagram showing the configuration of a full adder realized by an optical pass gate.

以下、本発明の実施の形態における光乗算器について図1を参照して説明する。この光乗算器は、部分積生成部101、加算部102、変換部103、デジタル加算部104を備える。 The optical multiplier according to the embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG. This optical multiplier includes a partial product generation unit 101, an addition unit 102, a conversion unit 103, and a digital addition unit 104.

部分積生成部101は、Nビット(Nは2以上の整数)の第1デジタル信号と、Nビットの第2デジタル信号とによるN×N個の部分積を生成する。加算部102は、生成されたN×N個の部分積を桁統合しながら加算して加算値を生成する。変換部103は、加算部102が生成した加算値をアナログデジタル変換してデジタル値を生成する。デジタル加算部104は、変換部103が生成したデジタル値をデジタル加算する。 The partial product generation unit 101 generates N×N partial products of the N-bit (N is an integer of 2 or more) first digital signal and the N-bit second digital signal. The adding unit 102 adds the generated N×N partial products while integrating the digits to generate an added value. The conversion unit 103 analog-digital converts the added value generated by the addition unit 102 to generate a digital value. The digital adder 104 digitally adds the digital values generated by the converter 103.

ここで、後述するように、部分積生成部101および加算部102は、部分積の生成に対して各々異なる波長の光を対応させて、部分積の生成および加算値の生成を波長多重で同時に処理することで、より高速な演算が可能となる。また、後述するように、部分積生成部101は、2次のブースの方法により部分積を生成するとよい。 Here, as will be described later, the partial product generation unit 101 and the addition unit 102 associate the generation of partial products with lights of different wavelengths, and simultaneously generate partial products and generation of addition values by wavelength multiplexing. By processing, it becomes possible to perform higher-speed calculation. Further, as will be described later, the partial product generation unit 101 may generate a partial product by the secondary Booth method.

次に、本発明における光乗算方法について、図2のフローチャートを用いて説明する。まず、第1ステップS101で、部分積生成部101が、Nビット(Nは2以上の整数)の第1デジタル信号と、Nビットの第2デジタル信号とによるN×N個の部分積を生成する。 Next, the optical multiplication method of the present invention will be described with reference to the flowchart of FIG. First, in a first step S101, the partial product generation unit 101 generates N×N partial products of an N-bit (N is an integer of 2 or more) first digital signal and an N-bit second digital signal. To do.

次に、第2ステップS102で、加算部102が、生成された部分積を桁統合しながら加算して加算値を生成する。次に、第3ステップS103で、変換部103が、生成された加算値をアナログデジタル変換してデジタル値を生成する。次に、第4ステップS104で、デジタル加算部104が、生成されたデジタル値をデジタル加算する。 Next, in a second step S102, the adding unit 102 adds the generated partial products while integrating the digits to generate an added value. Next, in a third step S103, the conversion unit 103 analog-digital converts the generated added value to generate a digital value. Next, in a fourth step S104, the digital adding unit 104 digitally adds the generated digital values.

上述したように、本発明では、部分積生成部101で部分積を生成した後の部分積の加算を、2進数演算に限定しない構成を採用したところに特徴がある。本発明では、部分積生成部101で部分積を生成(S101)した後、図3に示すように、加算部102で、桁統合を伴うアナログ加算により加算値を生成し(S102)、出力されたアナログデータを変換部103でAD変換し(S103)、デジタル加算部104で桁上げ処理する(S104)ことで、乗算結果を得る。 As described above, the present invention is characterized in that the addition of partial products after the partial products are generated by the partial product generation unit 101 is not limited to the binary arithmetic. In the present invention, after the partial product generation unit 101 generates a partial product (S101), as shown in FIG. 3, the addition unit 102 generates an addition value by analog addition accompanied by digit integration (S102) and outputs it. The converted analog data is AD-converted by the conversion unit 103 (S103), and carried by the digital addition unit 104 (S104) to obtain a multiplication result.

上述した構成とすることで、アナログ加算は、光の電界の足し算で実現できるため、光の干渉を用いて実行できる。これにより、アナログ加算時の電気への変換(OE変換)は不要となる。また桁統合を行うことによりデジタル加算回数を削減し、この際に必要なOE変換の回数を削減する。 With the above-described configuration, analog addition can be realized by adding the electric fields of light, and thus can be performed using light interference. This eliminates the need for conversion into electricity (OE conversion) during analog addition. In addition, the digit integration is performed to reduce the number of digital additions and the number of OE conversions required at this time.

上述したことにより、本発明によれば、従来型の乗算器に比べて圧倒的にOE変換の回数が削減され、演算時間の短縮が可能となる。 As described above, according to the present invention, the number of times of OE conversion is overwhelmingly reduced as compared with the conventional multiplier, and the calculation time can be shortened.

以下、より詳細に説明する。はじめに、部分積生成部101についてより詳細に説明する。部分積生成部101は、図4に例示するように、光源111と、1×1光パスゲート112と、1×1光パスゲート113とから構成すればよい。1×1光パスゲート112と、1×1光パスゲート113とは、シリアルに接続する。1×1光パスゲート112への電気制御入力をxiとし、1×1光パスゲート113への電気制御入力をyiとする。電気制御入力が1の時のみ信号を透過させるように設定すれば、1×1光パスゲート112および1×1光パスゲート113の両者が透過状態になる電気信号の組み合わせ、つまり、xij=1の場合のみ光が出力される。これにより部分積を実現する。 The details will be described below. First, the partial product generator 101 will be described in more detail. As illustrated in FIG. 4, the partial product generation unit 101 may include a light source 111, a 1×1 optical pass gate 112, and a 1×1 optical pass gate 113. The 1×1 optical pass gate 112 and the 1×1 optical pass gate 113 are serially connected. The electrical control input to the 1×1 optical pass gate 112 is x i, and the electrical control input to the 1×1 optical pass gate 113 is y i . If the signal is set to be transmitted only when the electrical control input is 1, a combination of electrical signals in which both the 1×1 optical pass gate 112 and the 1×1 optical pass gate 113 are in a transmissive state, that is, x i y j = Only in the case of 1, light is output. This realizes a partial product.

次に、加算部102についてより詳細に説明する。まず、加算部102における桁統合について説明する。例えば、図14を用いて説明した乗算の計算過程において、pijはxiとyjの部分積である。ここで、同一桁内の部分積の和(アナログ和)をziとする。例えばz2=p20+p11+p02である。Nビット×Nビット(Nは2以上の整数)の乗算の場合、ziは、N個の部分積の和により求められるため、最大Nまでの値をとる。この値から2進数の乗算結果であるSiを得るためには、ziを複数ビットの2進数に変換し、デジタル加算器を用いて桁上げ処理を施す必要がある。 Next, the adding section 102 will be described in more detail. First, the digit integration in the adding unit 102 will be described. For example, in the multiplication calculation process described using FIG. 14, p ij is a partial product of x i and y j . Here, the sum (analog sum) of partial products within the same digit is defined as z i . For example, z 2 =p 20 +p 11 +p 02 . In the case of multiplication of N bits×N bits (N is an integer of 2 or more), z i takes a value up to N because it is obtained by the sum of N partial products. In order to obtain the binary multiplication result S i from this value, it is necessary to convert z i into a multi-bit binary number and carry it out using a digital adder.

図5に、4ビットの乗算におけるziの2進数への変換工程を示す。また、図6A、図6Bに、16ビットの乗算におけるziの2進数への変換工程を示す。まず、桁統合を施さない場合の処理工程について、図5の(a)および図6Aを参照して説明する。この場合、各桁において円、四角形、三角形、六角形、グレーの円、グレーの四角形、グレーの六角形の中の各数字は、当該桁が取り得る最大の整数であり、このことは、Nビットの乗算でlog2(N)回のデジタル加算がAD変換後に発生することを示している。AD変換後のデジタル加算の回数は、4ビット×4ビットなら2回(3行分の加算)、16ビット×16ビットなら4回(5行分の加算)となる。 FIG. 5 shows a process of converting z i into a binary number in 4-bit multiplication. 6A and 6B show a process of converting z i into a binary number in 16-bit multiplication. First, the processing steps when digit unification is not performed will be described with reference to FIG. 5A and FIG. 6A. In this case, in each digit, each number in the circle, square, triangle, hexagon, gray circle, gray rectangle, and gray hexagon is the maximum integer that the digit can take, which means that It is shown that log 2 (N) times of digital addition occurs in bit multiplication after AD conversion. The number of digital additions after AD conversion is 2 times (addition for 3 rows) if 4 bits×4 bits, and 4 times (addition for 5 rows) if 16 bits×16 bits.

次に、桁統合を施す場合の処理について、図5の(b)および図6Bを参照して説明する。ここでは、4ビット×4ビット[図5の(a)]、16ビット×16ビット[図6B]の乗算において、それぞれk=2、4としてk桁統合を実施している。これにより、AD変換の後に発生するデジタル加算の回数を1回(2行分の加算)に削減することができる。 Next, the processing when the digit integration is performed will be described with reference to FIGS. 5B and 6B. Here, in the multiplication of 4 bits×4 bits [(a) of FIG. 5] and 16 bits×16 bits [FIG. 6B], k-digit integration is performed with k=2 and 4, respectively. As a result, the number of digital additions that occur after AD conversion can be reduced to one (addition for two rows).

例えば、図5の(b)に示すように、部分積の和であるz7、・・・、z0の8個を、それぞれ2個ずつに区切り、合計4個の集合に分割する。それぞれの集合に対し、2個の部分積加算結果を1つのアナログ量とみなしてDA変換を行う。ここでは、この操作を2桁単位の統合と呼ぶ。例えば、z0およびz1の2桁単位の統合z0、1とは、アナログ量2z1+z0を求めることである。一般に、部分積の加算結果をk桁ずつ統合してDA変換を行う場合、最下位側から数えてn番目の集合に対するk桁単位の統合zn、n+k-1は次式で与えられる。 For example, as shown in (b) of FIG. 5, eight pieces of z 7 ,..., Z 0 , which are sums of partial products, are each divided into two pieces, and divided into a total of four sets. For each set, the DA conversion is performed by regarding the two partial product addition results as one analog amount. Here, this operation is called two-digit unit integration. For example, the integrated z 0, 1 of 2 orders of magnitude of z 0 and z 1, is to determine the analog value 2z 1 + z 0. In general, when the addition results of partial products are integrated by k digits and DA conversion is performed, the integrated z n, n+k-1 in k digit units for the n-th set counting from the least significant side is given by the following equation. ..

次に、統合して得られた系列zn、n+k-1をAD変換で2進数に変換する。ここで、AD変換によって得られる2進系列は、定数行(ここでは2行)にまとめることができる。最後に、定数行にまとめられた2進系列をデジタル加算することで、最終的な乗算結果が得られる。 Next, the series z n and n+k−1 obtained by the integration are converted into binary numbers by AD conversion. Here, the binary sequence obtained by AD conversion can be grouped into constant rows (here, two rows). Lastly, the final multiplication result is obtained by digitally adding the binary sequences collected in the constant row.

次に、加算部102における加算(アナログ加算)について、図7A,図7Bを参照して説明する。図7Aは、図3を用いて説明した同一桁内の部分積加算znと、k桁単位の統合zn、n+k-1の演算を回路化した構成を示しており、方向性結合器201と減衰器202とから構成している。方向性結合器201は、図7Bに示すように、2つの光導波路から構成されて一方の光導波路に位相器201aを備え、干渉によって2つの光信号の電界の和をとるものである。方向性結合器201をツリー状に接続することで、同一桁内の部分積のアナログ加算と、桁統合の演算を行うことができる。 Next, addition (analog addition) in the addition unit 102 will be described with reference to FIGS. 7A and 7B. FIG. 7A shows a configuration in which the partial product addition z n within the same digit described with reference to FIG. 3 and the k-digit unit integrated z n, n+k−1 are circuitized. It is composed of a container 201 and an attenuator 202. As shown in FIG. 7B, the directional coupler 201 is composed of two optical waveguides, one optical waveguide is provided with a phase shifter 201a, and takes the sum of electric fields of two optical signals by interference. By connecting the directional couplers 201 in a tree shape, it is possible to perform analog addition of partial products within the same digit and calculation of digit integration.

2桁単位の統合については、スプリッタなどによる減衰器202により、下位ビットziの信号強度(光の電界強度)が上位ビットzi+1の信号強度(光の電界強度)の半分になる、すなわちzi=zi+1/2が成り立つように下位ビットziの信号強度を減衰させてから、方向性結合器201で2桁分の光を合成する。 For integration in units of two digits, the signal intensity of the lower bit z i (electric field intensity of the light) becomes half of the signal intensity of the higher bit z i+1 (electric field intensity of the light) by the attenuator 202 such as a splitter. That is, the signal strength of the lower bits z i is attenuated so that z i =z i+1 /2 holds, and then the directional coupler 201 combines the two-digit light.

次に、変換部103について、より詳細に説明する。部分積生成部101および加算部102で得られる結果zi、jはアナログ値であるため、AD変換を行うことで2進数の系列へ変換する。アナログ値のNビットのデジタル値の関係は、例えば、以下の表1に示すものとなり、out0、out1、out2のデジタル値は、アナログ値に対して周期的に変化している。 Next, the conversion unit 103 will be described in more detail. Since the results z i,j obtained by the partial product generation unit 101 and the addition unit 102 are analog values, they are converted into a binary series by AD conversion. The relationship of the N-bit digital value of the analog value is, for example, as shown in Table 1 below, and the digital values of out 0 , out 1 , and out 2 periodically change with respect to the analog value.

このような周期的な変化は、干渉計の位相をアナログ値で制御し、出力される光信号強度を閾値処理することで、デジタル光信号を容易に得ることができる。これらの変換部103の機能は、光非線形処理やOE変換を用いて実現することができる。変換部103は、例えば、図8Aに示すように、3つの符号化器203と3つの閾値処理器204とから構成することができる。符号化器203は、図8Bに示すように、よく知られたマッハツェンダー干渉計205から構成できる。マッハツェンダー干渉計205の一方のアームに設けられた加熱部206に、入力信号が入力される。 Such a periodical change can be easily obtained as a digital optical signal by controlling the phase of the interferometer with an analog value and thresholding the intensity of the output optical signal. The functions of these conversion units 103 can be realized by using optical nonlinear processing or OE conversion. The conversion unit 103 can be composed of, for example, three encoders 203 and three threshold value processors 204 as shown in FIG. 8A. The encoder 203 can be composed of a well-known Mach-Zehnder interferometer 205, as shown in FIG. 8B. An input signal is input to the heating unit 206 provided on one arm of the Mach-Zehnder interferometer 205.

次に、デジタル加算部104について、より詳細に説明する。変換部103で生成したデジタル値に対し、2Nビットの2進数定数行分のデジタル加算を実行することにより、乗算結果の2進数出力を得る。2行分のデジタル加算となる場合であれば、非特許文献4で提案されている光パスゲート論理に基づく並列加算器を用いることで、高速に演算することができる。 Next, the digital adder 104 will be described in more detail. A binary output of the multiplication result is obtained by executing digital addition of 2N-bit binary constant rows on the digital value generated by the conversion unit 103. In the case of digital addition for two rows, a parallel adder based on the optical pass gate logic proposed in Non-Patent Document 4 can be used to perform high-speed calculation.

例えば、まず、図17を用いて説明した全加算器のCiとCi+1,Ciの補数とCi+1の補数が、連続的に接続されるように全加算器をシリアルに接続した光並列加算器を用いる。図3で説明したデジタル加算による桁上げ処理(S104)における2行のデジタル値のそれぞれを、上記構成とした光並列加算器における全加算器のx側、y側に入力することにより、桁上げ処理を実行し、2進数の乗算値Siを得る。3行以上のデジタル加算の場合は、上述した上記光並列加算器を複数段接続することで実現できる。 For example, first, C i and C i + 1, complement and C i + 1's complement of C i full adder described with reference to FIG. 17, a full adder to be continuously connected to the serial The connected optical parallel adder is used. By inputting each of the two digital values in the carry process (S104) by digital addition described in FIG. 3 to the x side and the y side of the full adder in the optical parallel adder configured as described above, carry is performed. The process is executed to obtain the binary multiplication value S i . Digital addition of three or more rows can be realized by connecting the above-mentioned optical parallel adders in multiple stages.

次に、部分積生成部101および加算部102における波長多重について説明する。上述した加算部102における桁上げと加算の過程では、OE変換が含まれない。このため図9の(a)に示すように、1×1光パスゲート112および1×1光パスゲート113による部分積生成部分と、リング共振器207と、減衰器202とを用い、異なる複数の乗算における部分積の生成に対して異なる波長を振り分けることで、異なる複数の乗算における実施の形態における光乗算器の演算過程を波長多重で同時に処理することが可能となる。なお、図9の(a)は、図9の(b)の枠301内の処理を実施する部分の構成について示している。 Next, wavelength multiplexing in the partial product generation unit 101 and the addition unit 102 will be described. OE conversion is not included in the process of carry and addition in the adding unit 102 described above. Therefore, as shown in FIG. 9A, a plurality of different multiplications are performed by using the partial product generation part by the 1×1 optical pass gate 112 and the 1×1 optical pass gate 113, the ring resonator 207, and the attenuator 202. By allocating different wavelengths to the generation of the partial product in (3), it is possible to simultaneously process the arithmetic processes of the optical multiplier in the embodiments in different multiplications by wavelength multiplexing. It should be noted that FIG. 9A shows the configuration of the portion that performs the processing within the frame 301 of FIG. 9B.

次に、部分積生成部101における2次のブースの方法による部分積の生成について説明する。上述した加算部102におけるアナログ加算と桁統合の過程では、桁数Nの増加によってk桁統合後の値の最大値が増加した場合に、その後段のAD変換において不具合が生じる可能性がある。例えばk=4では統合後のzの最大値が229となり、後段のAD変換では0〜229の値に対して変換を行う必要があり、AD変換の線形性が保証できない可能性がある。 Next, generation of a partial product by the secondary Booth method in the partial product generation unit 101 will be described. In the process of analog addition and digit integration in the adder 102 described above, if the maximum value of the values after k-digit integration increases due to an increase in the number of digits N, a problem may occur in AD conversion in the subsequent stage. For example, when k=4, the maximum value of z after integration is 229, and it is necessary to perform conversion on the values of 0 to 229 in the subsequent AD conversion, and the linearity of AD conversion may not be guaranteed.

この問題の緩和案として、2次のブースの方法を利用することが考えられる。2次のブースの方法は、部分積の計算の際に、乗数の隣接する3ビットの値に応じて被乗数の加算量および減算量を変更する。この方法は、図14を用いて説明したような単純な部分積の加算と比較し、多くの場合で部分積の加算回数を効率的に削減することができる。2次のブースの方法は、以下の表2に示す符号化規則を用いる。 As a mitigation plan for this problem, it is possible to use the method of the second booth. The second-order Booth's method changes the addition amount and the subtraction amount of the multiplicand according to the values of the adjacent 3-bits of the multiplier when calculating the partial product. This method can effectively reduce the number of partial product additions in many cases, as compared with the simple partial product addition described with reference to FIG. The secondary Booth method uses the encoding rules shown in Table 2 below.

部分積計算の際に、乗数の隣接する3ビットの値に応じて0、±X、±2Xを部分積として使用する。これにより、図10に示すような16ビット×16ビットの乗算においては、部分積の加算を16行から9行に削減することが可能となり、その結果、桁統合をk=4(図6B)からk=3に削減し、統合後のzの最大値を229から58に削減できる。 When calculating the partial product, 0, ±X, and ±2X are used as the partial product according to the values of the adjacent 3 bits of the multiplier. As a result, in the 16-bit×16-bit multiplication as shown in FIG. 10, it is possible to reduce the addition of partial products from 16 rows to 9 rows, and as a result, digit integration is k=4 (FIG. 6B). To k=3, and the maximum value of z after integration can be reduced from 229 to 58.

2次のブースの方法による符号化回路を図11に示す。符号化回路は、方向性結合器201を用いている。被乗数Xは、光信号として入力し、乗数Yは電気信号として入力している。ただし、部分積1つ分の符号化であるので、実際にはこの回路が部分積の個数分必要となる。例えば、16ビット×16ビットの場合では、16×9個の符号化回路が必要となる。 FIG. 11 shows an encoding circuit according to the second-order Booth method. The encoding circuit uses the directional coupler 201. The multiplicand X is input as an optical signal, and the multiplier Y is input as an electric signal. However, since the encoding is for one partial product, this circuit is actually required for the number of partial products. For example, in the case of 16 bits×16 bits, 16×9 encoding circuits are required.

次に、2次のブースの方法と波長多重を併用することで、ブースの符号化回路の個数を削減する方法について説明する。図12に、2次のブースの方法と波長多重を併用した回路構成を示す。この回路は、方向性結合器201、リング共振器207、1はパス(pass)、0はブロック(block)のpass/blockゲート208,0はパス(pass)、1はブロック(block)のpass/blockゲート209から構成されている。 Next, a method of reducing the number of booth encoding circuits by using the secondary Booth method and wavelength multiplexing together will be described. FIG. 12 shows a circuit configuration using both the secondary booth method and wavelength multiplexing. In this circuit, a directional coupler 201, a ring resonator 207, 1 is a pass, 0 is a pass/block gate 208 of a block, 0 is a pass, and 1 is a pass of a block. /Block gate 209.

以下、表2に示した部分積0、X、−X、2X、−2Xの演算について説明する。 The operations of the partial products 0, X, -X, 2X, -2X shown in Table 2 will be described below.

部分積がXの場合、被乗数Xの各ビット、すなわち、xN-1、xN-2、・・・、x0に対し、それぞれλN-1、λN-2、・・・、λ0の波長を割り当て、波長多重化を行う。電気信号xN-1、xN-2、・・・、x0を、pass/blockゲート208に入力し、各波長の光のON/OFFを制御する。 When the partial product is X, for each bit of the multiplicand X, that is, x N-1 , x N-2 ,..., X 0 , λ N-1 , λ N-2 ,..., λ, respectively. A wavelength of 0 is assigned and wavelength multiplexing is performed. The electric signals x N-1 , x N-2 ,..., X 0 are input to the pass/block gate 208 to control ON/OFF of light of each wavelength.

部分積が2Xの場合は、Xの場合と比べて波長を1ビット左にシフトさせればよい。これはXの2倍の値を取ることに対応する。 When the partial product is 2X, the wavelength may be shifted to the left by 1 bit as compared with the case of X. This corresponds to taking twice the value of X.

部分積が−Xの場合は、Xの補数を用いればよい。つまりpass/blockゲート209を用いればよい。この場合、2N−1桁まで符号拡張を行う必要がある。部分積が−2Xの場合は、−Xの場合と比べて波長を1ビット左にシフトさせればよい。これは−Xの2倍の値を取ることに対応する。 When the partial product is -X, the complement of X may be used. That is, the pass/block gate 209 may be used. In this case, it is necessary to extend the code up to 2N-1 digits. When the partial product is -2X, the wavelength may be shifted left by 1 bit as compared with the case where -X is used. This corresponds to taking twice the value of -X.

以上の波長多重操作により、16ビット×16ビットの場合において、ブースの符号化回路の個数を、16×9個から9個へ1/16に削減することができる。 By the above wavelength multiplexing operation, in the case of 16 bits×16 bits, the number of booth encoding circuits can be reduced from 16×9 to 9 to 1/16.

16ビット×16ビットの場合において、波長多重化と2次のブースの符号化を行った結果を図13に示す。ブースの符号化後の部分積加算を行う際には、波長多重化した信号から特定の波長を取り出すことで、それぞれの桁の部分積加算を行うことが可能である。この場合の部分積加算は、波長の異なる光信号の加算になる。異波長光信号の加算は、異波長の光信号を合波し、合波した光信号をフォトダイオードにより電流に変換することで実現できる。ただしこの場合、波長多重によってブースの符号化回路の個数を削減しているため、波長多重を用いて複数乗算を同時処理することによる演算の高速化の効果は得られない。 FIG. 13 shows the results of wavelength multiplexing and secondary Booth encoding in the case of 16 bits×16 bits. When the partial product addition after Booth encoding is performed, it is possible to perform the partial product addition of each digit by extracting a specific wavelength from the wavelength-multiplexed signal. In this case, partial product addition is addition of optical signals having different wavelengths. Addition of optical signals of different wavelengths can be realized by multiplexing optical signals of different wavelengths and converting the combined optical signal into a current by a photodiode. However, in this case, since the number of Booth encoding circuits is reduced by wavelength multiplexing, the effect of speeding up the operation by simultaneously processing a plurality of multiplications using wavelength multiplexing cannot be obtained.

以上に説明したように、本発明によれば、部分積を桁統合しながら加算して加算値を生成し、この加算値をアナログデジタル変換してデジタル値を生成し、デジタル値をデジタル加算するようにしたので、より高速に光乗算ができるようになる。 As described above, according to the present invention, partial products are integrated while adding digits to generate an added value, the added value is analog-digital converted to generate a digital value, and the digital value is digitally added. By doing so, optical multiplication can be performed at a higher speed.

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。 The present invention is not limited to the embodiments described above, and many modifications and combinations can be implemented by a person having ordinary knowledge in the field within the technical idea of the present invention. That is clear.

101…部分積生成部、102…加算部、103…変換部、104…デジタル加算部。 101... Partial product generation section, 102... Addition section, 103... Conversion section, 104... Digital addition section.

Claims (4)

Nビット(Nは2以上の整数)の第1デジタル信号と、Nビットの第2デジタル信号とによるN×N個の部分積を生成する部分積生成部と、
前記部分積を桁統合しながら加算して加算値を生成する加算部と、
前記加算値をアナログデジタル変換してデジタル値を生成する変換部と、
前記デジタル値をデジタル加算するデジタル加算部と
を備えることを特徴とする光乗算器。
A partial product generation unit for generating N×N partial products by the N-bit (N is an integer of 2 or more) first digital signal and the N-bit second digital signal;
An adding unit that adds the partial products while integrating the digits to generate an added value;
A conversion unit that generates a digital value by analog-digital converting the added value;
And a digital adder that digitally adds the digital values.
請求項1記載の光乗算器において、
前記部分積生成部および前記加算部は、前記部分積の生成に対して各々異なる波長の光を対応させて、前記部分積の生成および前記加算値の生成を波長多重で同時に処理することを特徴とする光乗算器。
The optical multiplier according to claim 1, wherein
The partial product generation unit and the addition unit correspond to the light of different wavelengths to the generation of the partial product, and simultaneously process the generation of the partial product and the generation of the addition value by wavelength multiplexing. And an optical multiplier.
請求項1記載の光乗算器において、
前記部分積生成部は、2次のブースの方法により前記部分積を生成することを特徴とする光乗算器。
The optical multiplier according to claim 1, wherein
The optical multiplier, wherein the partial product generation unit generates the partial product by a second-order Booth method.
Nビット(Nは2以上の整数)の第1デジタル信号と、Nビットの第2デジタル信号とによるN×N個の部分積を生成する第1ステップと、
前記部分積を桁統合しながら加算して加算値を生成する第2ステップと、
前記加算値をアナログデジタル変換してデジタル値を生成する第3ステップと、
前記デジタル値をデジタル加算する第4ステップと
を備えることを特徴とする光乗算方法。
A first step of generating N×N partial products of the N-bit (N is an integer of 2 or more) first digital signal and the N-bit second digital signal;
A second step of adding the partial products while integrating the digits to generate an added value;
A third step of analog-to-digital converting the added value to generate a digital value,
And a fourth step of digitally adding the digital values.
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