JP7495646B2 - Photonics-electronics hybrid computer - Google Patents
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Description
本発明は、光電子融合型コンピュータに関し、より詳細には、光パルスと電気パルスとを組み合わせたコンピューティングプラットフォームを備えた光電子融合型コンピュータに関する。 The present invention relates to an optoelectronic hybrid computer, and more particularly to an optoelectronic hybrid computer having a computing platform that combines optical pulses and electrical pulses.
デジタル信号処理のためのチップは、非常に多くの論理ゲートが高密度に集積された電子回路を含む。伝統的に、これらの電子回路は、相補型金属酸化膜半導体(CMOS)トランジスタで実現されている。CMOSトランジスタの微細化が進み、集積密度の高い電子回路が実現され、クロック速度の高速化が進められ、信号処理の機能、性能が継続的に向上している。しかしながら、現在のCMOSトランジスタは、数ナノメートルの寸法まで微細化が進み、さらなる小型化は、様々な技術的課題および高コスト化のために困難になっている。Chips for digital signal processing contain electronic circuits with a large number of logic gates densely integrated. Traditionally, these electronic circuits have been realized with complementary metal-oxide semiconductor (CMOS) transistors. As CMOS transistors have become smaller, more densely integrated electronic circuits have been realized, and clock speeds have been increased, leading to continuous improvements in signal processing functions and performance. However, current CMOS transistors have been miniaturized to dimensions of a few nanometers, and further miniaturization is difficult due to various technical challenges and high costs.
この問題を解決するために、例えば、神経形態学的スキーム、量子計算スキームなどの代替的なコンピューティングアーキテクチャが注目されている。このようなパラダイムシフトは、特定の計算問題に対しては、解決策を提供することに成功している。一方で、従来のフォン・ノイマン型コンピューティングアーキテクチャの性能を向上させる要求も存在する。To address this issue, alternative computing architectures, such as neuromorphic and quantum computing schemes, have been gaining attention. While these paradigm shifts have been successful in providing solutions to certain computational problems, there is also a demand to improve the performance of traditional von Neumann computing architectures.
このような要求を満たすために、本発明の目的は、光パルスと電気パルスとを組み合わせて、高速動作が可能なコンピューティングプラットフォームを備えた光電子融合型コンピュータを提供することにある。 To meet such demands, the object of the present invention is to provide an optoelectronic hybrid computer equipped with a computing platform capable of high-speed operation by combining optical pulses and electrical pulses.
本発明は、このような目的を達成するために、光電子融合型コンピュータの一実施態様は、コントローラから出力されるオペレータとオペランドとを含む実行命令を認識する認識回路であって、前記実行命令のビットごとに対応する決定段階を制御する光パルスを出力するシリアル-パラレル変換器、および前記光パルスにより前記決定段階の出力が選択されて、前記実行命令に一意に対応した出力ポートから制御信号を出力する決定回路を含む認識回路と、前記制御信号に応じて予め記憶されている計算結果を出力するメモリとを備えたことを特徴とする。 In order to achieve this object, one embodiment of an optoelectronic integrated computer of the present invention is characterized in that it comprises a recognition circuit which recognizes an execution instruction including an operator and an operand output from a controller, the recognition circuit including a serial-parallel converter which outputs an optical pulse which controls a corresponding decision stage for each bit of the execution instruction, and a decision circuit which selects the output of the decision stage by the optical pulse and outputs a control signal from an output port which uniquely corresponds to the execution instruction, and a memory which outputs a calculation result which has been pre-stored in response to the control signal.
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。光パルスは、低ジッタで生成することができ、低損失および低分散で長距離を伝搬することができる。また、光パルスが伝播する光導波路の長さを調整することにより、光パルスのタイミングを正確に制御することができる。例えば、20μmの光ファイバは、約0.1psの遅延を生じる。このような特性により、高速のデジタル信号処理に適しているが、CMOSトランジスタからなる論理ゲートとは異なり、光論理ゲートを大規模に集積することは、困難である。そこで、光パルスと電気パルスとを組み合わせた光電子融合型のコンピューティングプラットフォームを構築する。 The following describes in detail the embodiments of the present invention with reference to the drawings. Optical pulses can be generated with low jitter and can propagate long distances with low loss and low dispersion. In addition, the timing of the optical pulses can be precisely controlled by adjusting the length of the optical waveguide through which the optical pulses propagate. For example, a 20 μm optical fiber produces a delay of about 0.1 ps. Due to these characteristics, optical logic gates are suitable for high-speed digital signal processing, but unlike logic gates made of CMOS transistors, it is difficult to integrate optical logic gates on a large scale. Therefore, we will build a photonics-electronics integrated computing platform that combines optical pulses and electrical pulses.
[超高速パターン認識回路]
図1に、本発明の一実施形態にかかる超高速パターン認識回路における信号処理を示す。認識回路100は、高速のビット信号が入力される1つのシリアルポートと、Nビットの入力ワードを認識し、2N通りのビット組み合わせに一意対応する2N個の出力ポートとを備えている。認識回路100の出力ポートは、電気回路130の2N個の入力ポートに接続されている(例えば、特許文献1参照)。
[Ultra-high-speed pattern recognition circuit]
1 shows signal processing in an ultra-high speed pattern recognition circuit according to one embodiment of the present invention. The
シリアルポートに信号が入力されていない状態では全ての出力は常にLowレベルの状態にある。ワードを構成するビット信号が認識回路100のシリアルポートに入力されると、そのワードのビット組み合わせに対応する1つの出力ポートだけがHighレベルの状態になる。認識回路100はリアルタイムで作動し、Nビットのワードが入力されると直ちに対応する出力ポートがHighレベルになり、出力を低速な電気回路に接続するのに十分な持続時間の間、Highレベルの状態を保つ。When no signal is input to the serial port, all outputs are always at a low level. When a bit signal constituting a word is input to the serial port of the
認識回路100は、入力されたワードのビット組み合わせに基づいて、ビット組み合わせに対応する空間的に分離された出力ポートに出力信号を生成する。この出力ポートから出力される信号の持続時間は、1つのワード分の持続時間(Tword)、すなわち全てのビット信号分の持続時間に対応しているため、低速な電気回路の速度に合わせることが十分可能な長さである。この場合、生成した信号が出力される出力ポートには全てのビット信号の集合情報、すなわちビット組み合わせの情報が含まれるため、従来と較べてクロック周期を消費せずに済み、電気回路での処理を簡素化することができる。
The
複数の連続したNビットのワードが、論理演算を行う必要のあるM個のワードとなって任意の時間間隔(Tnext)で入力されると、各ワードをビット組み合わせに応じて空間的に異なる出力ポートに時間間隔(Tnext)で出力される。このM個の連続した低速な信号を処理することのできる論理回路が演算を実行する場合を考える。M個の各ワードに対応する出力は、連続的に電気回路130に入力される。最初の入力が最初の処理結果となるが、次の入力はその1つ前の結果を用いて処理され、全ての演算が終了するまで更新される。これにより、低速な電気回路で超高速なビットの処理時間を削減することが可能な、ワード毎の処理方式を確立する。
When a number of consecutive N-bit words are input at an arbitrary time interval ( Tnext ) as M words requiring logical operations, each word is output at a time interval ( Tnext ) to a spatially different output port according to the bit combination. Consider a case where a logic circuit capable of processing these M consecutive low-speed signals performs the operation. The outputs corresponding to each of the M words are input consecutively to the
図2に、本実施形態にかかる4ビットのワードを処理可能な超高速パターン認識回路の構成を示す。認識回路100は、シリアル-パラレル変換器110および決定回路120の2つの主要な機能ブロックで構成される。シリアル-パラレル変換器110の各変換チャネルの出力は、決定回路120の所定の決定段階Sを制御する。
Figure 2 shows the configuration of an ultra-high speed pattern recognition circuit capable of processing 4-bit words according to this embodiment. The
最も重要な最上位ビットは、その状態がHighレベルかLowレベルかにより、最終的な出力が8未満か、8以上かを決定する。従って、最上位のビットの値が分かれば、最終出力が取り得る値の候補を半分にすることができる。残った値の候補についても、次に上位のビットの状態が分かればそれを半分にすることができ、つまり最終出力の値の候補を1/4に絞り込むことができる。この手順を最下位ビットまで繰り返すことにより、適切でない出力の可能性を連続的に排斥し、ワードを正しい出力に変換する、すなわちワードのビット組み合わせに対応した出力ポートからの出力のみをHighレベルの状態にすることが可能となる。このことから、決定回路120は下記のように構成する。The most significant bit determines whether the final output is less than 8 or greater than 8, depending on whether its state is high or low. Therefore, if the value of the most significant bit is known, the number of possible values for the final output can be halved. The remaining possible values can also be halved if the state of the next most significant bit is known, meaning that the number of possible values for the final output can be narrowed down to 1/4. By repeating this procedure up to the least significant bit, it is possible to continuously eliminate the possibility of an inappropriate output and convert the word into a correct output, i.e., it is possible to make only the output from the output port corresponding to the bit combination of the word a high level state. For this reason, the
最上位ビットに対応する決定段階S1は決定ユニットU1,1を1つ含み、最上位ビットから1つ下位のビットに対応する決定段階S2は2つの決定ユニットU2,1、U2,2を含み、さらに1つ下位のビットに対応する決定段階S3は4つの決定ユニットU3,1~U3,4を含む。最下位ビットに対応する決定段階S4は、8つの決定ユニットU4,1~U4,8を含む。 The decision stage S1 corresponding to the most significant bit includes one decision unit U1,1 , the decision stage S2 corresponding to the bit one bit lower than the most significant bit includes two decision units U2,1 and U2,2 , the decision stage S3 corresponding to the bit one bit lower includes four decision units U3,1 to U3,4 , and the decision stage S4 corresponding to the least significant bit includes eight decision units U4,1 to U4,8 .
最上位のビットに対応する決定段階S1における決定ユニットU1,1の2つの出力ポートは、一方が2番目に上位のビットに対応する決定段階S2の決定ユニットU2,1に接続され、他方が決定ユニットU2,2に接続されている。同様に、決定段階S2の決定ユニットU2,1、U2,2の4つの出力ポートは、3番目に上位のビットに対応する決定段階S3の4つの決定ユニットU3,1~U3,4に接続され、決定段階S3の4つの決定ユニットU3,1~U3,4の8つの出力ポートは、最下位のビットに対応する決定段階S4の8つの決定ユニットU4,1~U4,8に接続されている。 The two output ports of the decision unit U1,1 in the decision stage S1 corresponding to the most significant bit are connected to the decision unit U2,1 of the decision stage S2 corresponding to the second most significant bit, and the other is connected to the decision unit U2,2 . Similarly, the four output ports of the decision units U2,1 , U2,2 of the decision stage S2 are connected to the four decision units U3,1 to U3,4 of the decision stage S3 corresponding to the third most significant bit, and the eight output ports of the four decision units U3,1 to U3,4 of the decision stage S3 are connected to the eight decision units U4,1 to U4,8 of the decision stage S4 corresponding to the least significant bit.
最初の決定段階S1の決定ユニットU1,1は、シリアル-パラレル変換器110の最上位のビット信号を変換する変換チャネルで生成された制御信号C1に基づいて、2つある出力ポートのうちの一方をHighレベルにする。決定ユニットU1,1の出力の一方がHighレベルにされると、2段目の決定段階S2の2つの決定ユニットU2,1、U2,2のうちの一方だけをアクティブ化する。そのアクティブ化された決定ユニットU2,1又はU2,2は、シリアル-パラレル変換器110の2番目に上位のビット信号を変換する変換チャネルで生成された制御信号C2に基づいて、2つある出力ポートのうちの一方をHighレベルにする。これら処理により、2段目の決定段階S2が選び得る4つの出力ポートのうちの1つだけがHighレベルになり、さらに空間的に分離された出力ポートに信号が生成されて、最終出力が取り得る可能性を1/4に絞り込む。同様に、2段目の決定段階S2からのHighレベルの信号によって、3段目の決定段階S3の4つの決定ユニットU3,1~U3,4のうちの1つがアクティブ化される。そしてそのアクティブ化された決定ユニットU3,1~U3,4のうちの1つは、シリアル-パラレル変換器110の3番目に上位のビット信号を変換する変換チャネルで生成された制御信号C3に基づいて、2つある出力ポートのうちの一方をHighレベルにする。4段目の決定段階S4の8つの決定ユニットU4,1~U4,8もいずれか1つが3段目の決定段階S3からのHighレベルの信号によってアクティブ化され、シリアル-パラレル変換器110の最下位のビット信号を変換する変換チャネルで生成された制御信号C4に基づいて、2つある出力ポートのうちの一方をHighレベルにする。
The decision unit U 1,1 in the first decision stage S1 sets one of the two output ports to a high level based on a control signal C1 generated in a conversion channel that converts the most significant bit signal of the serial-
図3に示すように、4ビットで表される入力ワードを10進数で表される出力に対応付け、16個の出力ポートのうちの1つの出力をHighレベルにすることができる。例えば、4ビットのワード「1101」を認識回路100に入力した場合、異なるバイナリの組み合わせを、十進数の0から15の整数の1つである「11」に対応させることができる。As shown in Figure 3, a 4-bit input word can be mapped to a decimal output, and one of the 16 output ports can be set to a high level. For example, if the 4-bit word "1101" is input to the
認識回路100は、上記4ビットのワードの処理に限定されず、任意のビット組み合わせを有するNビットのワードについても、上記手順を同様に繰り返し実行することで、ワード毎のビット組み合わせに対応する出力ポートの出力のみをHighレベルの状態することができる。このとき、シリアル-パラレル変換器110はワードを構成する各ビットに対応するN個の変換チャネルを有し、決定回路120はシリアル-パラレル変換器110のN個の変換チャネルに対応するN段の決定段階S1~SNを有する構成とする。
The
N段の決定段階S1~SNは、最上位のビットに対応する決定段階S1を1段目とすると、2s(s=0、1、2、・・・、N-1)の位のビットに対応する(N-i)段目の決定段階S(N-s)は、2N-1-s個の決定ユニットUを含み、N番目の決定段階SNは2N-1個の決定ユニットUN-s,1~UN-s,t(t=2N-1)で構成される。 Of the N decision stages S 1 to S N , if decision stage S 1 corresponding to the most significant bit is the first stage, then the (N-i)th decision stage S (Ns) corresponding to the 2 s (s = 0, 1, 2, ..., N-1) bit contains 2 N-1-s decision units U, and the Nth decision stage S N is composed of 2 N-1 decision units U Ns,1 to U Ns,t (t = 2 N-1 ).
各決定ユニットUは、2つの出力ポートを有しており、各出力ポートは、1つ下位の決定段階Sにある異なる決定ユニットUに1対1でそれぞれ接続し、そのうちの一方の決定ユニットUだけをアクティブ化する。各決定段階Sでは、1つ上位の決定段階SからのHighレベルの出力によって一度に1つの決定ユニットUだけがアクティブ化される。Each decision unit U has two output ports, each connected one-to-one to a different decision unit U in the next lower decision stage S, and activating only one of the decision units U. In each decision stage S, only one decision unit U is activated at a time by a high-level output from the next higher decision stage S.
同じ決定段階Sに属する決定ユニットUは、シリアル-パラレル変換器110の同一の変換チャネルに並列に接続されており、アクティブ化された決定ユニットUの出力は、その決定ユニットUが属する決定段階Sに対応するシリアル-パラレル変換器の変換チャネルで生成された制御信号Cで制御される。制御信号Cの状態がHighレベルのとき、アクティブ化された決定ユニットUの一方のポートだけがHighレベルになり、変換されたビット信号がlowレベルのとき、今度は他方のポートだけがHighレベルになる。
Decision units U belonging to the same decision stage S are connected in parallel to the same conversion channel of the serial-
このようにして各決定段階Sに属する決定ユニットUのうちの1つの決定ユニットUの一方の出力のみがHighレベルになり、認識回路100の最終出力として、N番目の決定段階SNの決定ユニットUN-s,1~UN-s,t(t=2N-1)の2N個の出力ポートのうち、Nビットのワードのビット組み合わせに対応する1つをHighレベルにすることができる。
In this way, only one output of one of the decision units U belonging to each decision stage S becomes a high level, and as the final output of the
図4に、本実施形態にかかる超高速パターン認識回路における処理シーケンスを示す。制御信号C1はユニットU1,1の出力だけを決定し、本例では最上位ビットがHighレベルであることから、信号L1,1をHighレベルに変換する。一方で、信号L1,2は定常状態のLowレベルのままである。本回路は、繰返し演算することを考慮して信号L1,1の持続時間を4T(T:クロックサイクル時間)に設定しており、新しいワードが時間4Tより後に到着すると、ユニットU1,1の出力を再び自由に決定することができる。各ユニットの出力にとって重要な機能は、十分に早い立ち上がり時間であり、これは回路全体の演算を行うのに不可欠なものである。 4 shows the processing sequence in the ultra-high speed pattern recognition circuit according to this embodiment. The control signal C1 determines only the output of the unit U1,1 , and in this example, since the most significant bit is at a high level, the signal L1,1 is converted to a high level. Meanwhile, the signal L1,2 remains at a steady state low level. In consideration of repeated operation, this circuit sets the duration of the signal L1,1 to 4T (T: clock cycle time), and when a new word arrives after time 4T, the output of the unit U1,1 can be freely determined again. The important feature for the output of each unit is a sufficiently fast rise time, which is essential for the operation of the entire circuit.
信号L1,1がHighレベルになると、それに応じて信号L2,2もHighレベルになる。しかし、制御信号C2がHighレベルで生成されると、信号L2,2はリセットされ、代わりに信号L2,1がHighレベルになる。ここで、3番目に上位のビットがLowだと、制御信号C3はLowレベルになり、信号L3,2は信号L2,1で初期化された後はHighレベルのままになる。信号L4,3は制御信号C4が生成された後はHighレベルになり、回路の最終出力を生成する。 When signal L1,1 goes high, signal L2,2 also goes high accordingly. However, when control signal C2 is generated at high, signal L2,2 is reset and signal L2,1 goes high instead. Here, if the third most significant bit is low, control signal C3 goes low and signal L3,2 remains high after being initialized by signal L2,1 . Signal L4,3 goes high after control signal C4 is generated, generating the final output of the circuit.
所定の段階SnにおいてクロックパルスKnの時間を基準とすると、この段階の出力開始時間にばらつきが生じる。例では、制御信号C3が発生する前に信号L3,2が始まるが、しかし、3番目に上位のビット信号がhighレベルとなる場合(本例では変換されたビット信号はlowレベル)、制御信号L3,1はhighレベルとなり信号C3の開始よりもわずか後に始まる。このように、各段階において出力開始のばらつきがあると、回路の最終出力において信号の持続時間に影響を及ぼす。 In a given stage Sn, the output start time of this stage varies with respect to the time of the clock pulse Kn. In the example, the signal L3,2 starts before the control signal C3 occurs, but when the third most significant bit signal goes high (in this example the converted bit signal is low), the control signal L3,1 goes high and starts a little after the start of the signal C3. Thus, the variation in the output start at each stage affects the duration of the signal at the final output of the circuit.
各決定段階Sにおいて発生した信号は、次の決定段階にある決定ユニットUのうち、1つの決定ユニットUのみを制御するために使用される。すなわち、信号はごく僅かな数のトランジスタを、速い動作を妨げる電気負荷の発生を伴わずに動かす必要がある。また、このような構成において高速電気信号の処理を可能とするために、処理中の信号速度に対応できるような寸法で集積回路を設計しなければならない。 The signal generated at each decision stage S is used to control only one of the decision units U in the next decision stage. That is, the signal needs to operate a very small number of transistors without generating electrical loads that would impede fast operation. Also, to enable processing of high-speed electrical signals in such a configuration, the integrated circuit must be designed with dimensions that can accommodate the speed of the signals being processed.
一方、特定の決定段階Snへシリアル-パラレル変換器110が発する各制御信号Cnは、その決定段階に属する全ての決定ユニットを制御しなければならない。従来の電子回路においては、制御信号を大規模な容量性負荷を伴う数多くのトランジスタへ繋げる必要があり、素早い動作を妨げている。また、容量性負荷が大きい場合は、必要以上に立ち上がり時間が長くなり、信号の持続時間を伸ばしてしまう。そこで、以下で説明する光パルスと電気パルスとを組み合わせた光電気混載回路を適用する。
On the other hand, each control signal C n issued by the serial-
図5Aに、本実施形態にかかる超高速パターン認識回路の決定ユニットとして用いる光電気混載回路を示す。シリアル-パラレル変換器110の各変換チャネル111の出力を、決定段階Sに含まれる決定ユニット群の列に近接して配置される光導波路121に接続する。決定ユニットUは、1つ前の決定段階Sから決定ユニットUをアクティブ化するための信号Ln-1,jに従って、光パルスを光導波路121から決定ユニットUに引き込むための光スプリッタ122と、電気パルスおよび光パルスの2つの入力信号に従って2つの出力ポートのどちらか一方から電気パルスを出力するかを決定する光電気混載論理回路123とから構成される。
5A shows an optical/electrical hybrid circuit used as a decision unit of the ultra-high-speed pattern recognition circuit according to this embodiment. The output of each
変換されたビット信号がhighである場合は、シリアル-パラレル変換器110の変換チャネル111から決定段階Sの決定ユニットUに向けて光パルスである制御信号Cnが発生され、一方、変換されたビット信号がlowである場合、光パルスは発生しない。
If the converted bit signal is high, a control signal C n , which is an optical pulse, is generated from the
信号Ln-1,jは、決定ユニットUn,iをアクティブ化するために使用されている。ここでは、決定ユニットUn,iを含む決定段階Snの全決定ユニットUnに対して個別に対応する制御信号Cnを出力するのではなく、光パルスである制御信号Cnをアクティブ化された決定ユニットUn,iへ偏向させるために信号Ln-1,iを用いる。信号Ln-1,iを分岐して、信号Ln-1,iで決定ユニットUn,iの光スプリッタ122を制御し、光パルスである制御信号Cnを決定ユニットUn,iへ偏向させる。
The signal L n-1,j is used to activate the decision unit U n,i . Here, instead of outputting the corresponding control signal C n individually for all decision units U n of the decision stage S n including the decision unit U n ,i , the signal L n-1,i is used to direct the control signal C n , which is an optical pulse, to the activated decision unit U n ,i . The signal L n-1,i is split and the signal L n-1,i controls the
図5Bに、本実施形態にかかる超高速パターン認識回路の決定ユニットとして用いる光電気混載回路の他の例を示す。光パルスを光導波路121から決定ユニットUに引き込むために、光スプリッタ122に代えて、光共振器回路124を備えている。光共振器回路124としては、例えば、光ディスク共振器、光リング共振器など、素子のサイズが小さく、低エネルギーで動作が可能な高速変調光共振器を適用することができる。
Figure 5B shows another example of an optical-electrical hybrid circuit used as a decision unit of the ultra-high-speed pattern recognition circuit of this embodiment. In order to draw the optical pulse from the
図6Aに、本実施形態にかかる決定ユニットの光電気混載論理回路を示す。光電気混載論理回路123では、決定ユニットUn,iに偏向された光パルスから、制御された持続性を持つ電気信号を発生させる。光パルスである制御信号Cnが入射される受光素子であるフォトダイオードPDの出力に、反転増幅器A1と非反転増幅器A2とが接続されている。1つ前の決定段階Sからの信号Ln-1,jによって駆動されるトランジスタTr1の出力は、バッファA3,A4を介して、それぞれトランジスタTr2,Tr3に接続されている。制御信号Cnとして光パルスがフォトダイオードPDに入射されると、非反転増幅器A2がトランジスタTr3を駆動して、決定ユニットUの2つある出力ポートのうちの一方に信号Ln,2i-1を出力する。光パルスがフォトダイオードPDに入射されていない場合は、反転増幅器A1がトランジスタTr2を駆動して、決定ユニットUの他方の出力ポートに信号Ln,2iを出力する。
6A shows the optical-electrical hybrid logic circuit of the decision unit according to this embodiment. In the optical-electrical
図6Bに、光電気混載論理回路の入出力の関係を表す真理値表を示す。光電気混載論理回路123は、受光素子と電子回路によって構成された判定回路とを含む。判定回路は、前段の決定段階から出力された信号を、受光素子の出力に応じて、2つの出力ポートのうちのいずれかに、真理値表に従った信号を出力する。
Figure 6B shows a truth table that represents the input/output relationship of the optical/electrical hybrid logic circuit. The optical/electrical
[コンピューティングプラットフォーム]
超高速パターン認識回路は、N個の入力ビットの組み合わせに応答して空間的に微分された出力信号を生成する。非常に低い待ち時間の超高速ビットの認識は、新たに提案するプロセッサを実現するための基礎であり、この超高速パターン認識回路を、特定の出力信号を生成するオペレータとそのオペランドの内容を識別するために使用する。オペレータとオペランドの組み合わせに対応する計算結果は、計算処理を実行することなく取得することができる。
[Computing Platform]
An ultra-high speed pattern recognition circuit generates a spatially differentiated output signal in response to a combination of N input bits. Ultra-high speed bit recognition with very low latency is the basis for implementing a newly proposed processor, which uses the ultra-high speed pattern recognition circuit to identify the operator and the contents of its operands that generate a particular output signal. A computational result corresponding to the combination of the operator and the operand can be obtained without performing any computational processing.
図7を参照して、本発明の一実施形態にかかるコンピューティングプラットフォームの原理を説明する。本実施形態のコンピューティングプラットフォームにおけるプロセッサ200は、コントローラ201から出力されるオペレータとオペランドとを含む実行命令を認識する認識回路202を備える。認識回路202は、上述したように、実行命令のビットごとに対応する決定段階を制御する光パルスを出力するシリアル-パラレル変換器と、光パルスにより決定段階の出力が選択されて、実行命令に一意に対応した出力ポートから制御信号を出力する決定回路とを含む。認識回路202は、オペレータとオペランドとに一意に対応した制御信号を、認識結果としてメモリ203に出力する。メモリ203には、制御信号に応じた計算結果が予め記憶されている。制御信号に対応する検索結果は、選択回路204を介して、コントローラ201に返される。
The principle of a computing platform according to one embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 7. The processor 200 in the computing platform of this embodiment includes a
プロセッサ200は、計算処理中の実行命令(オペレータ+オペランド)を、認識回路202によって認識すると、実際の計算は行わずに、メモリ203を検索して、既に記憶された計算結果を取得する。実行命令の認識には、上述した超高速パターン認識回路を適用し、以下に説明する高速の光メモリと組み合わせることにより、高速動作が可能なコンピューティングプラットフォームを構成することができる。また、この構成によれば、実行命令の複雑さは、最終的な計算結果を受け取る速度に影響を与えないので、計算処理の高速化が容易になる。When the processor 200 recognizes an execution command (operator + operand) during calculation processing by the
[光電子融合型コンピュータ]
図8に、本実施形態のコンピューティングプラットフォームの構成を示す。実行命令(オペレータ+オペランド)を表すN個のパラレル信号(Nビット)のセットが、コントローラ201から出力される。実行命令は、従来のフォン・ノイマン型コンピューティングアーキテクチャの中央処理装置(CPU)と同様に、コントローラ201内部のキャッシュメモリからフェッチされる。実行命令は、パラレル-シリアル変換回路(P/S)251により、シリアル信号に変換されて認識回路202に入力される。
[Photonics-electronics hybrid computer]
8 shows the configuration of the computing platform of this embodiment. A set of N parallel signals (N bits) representing an execution instruction (operator + operand) is output from the
認識回路202は、上述した超高速パターン認識回路であり、実行命令は、シリアル-パラレル変換器110に入力され、入力されたNビットの入力ワードに対応してN個の光パルスが生成される。各変換チャネル111で生成された光パルスは、光導波路121を介して、決定段階Sごとに決定回路120に入力される。The
コントローラ201によって生成される電気信号の持続時間は、上述したように、光パルスの約N倍である。例えば、各光パルスが10ビットを40psの持続時間で表すとすると、コントローラ201は、2.5Gb/sのクロックで動作し、一般的な電子回路の速度で動作することができる。光パルスが対応するビット数を増やせば、コントローラ201のクロック速度はさらに緩和され、クロック速度が同じであれば、より高い計算処理能力を得ることができる。The duration of the electrical signal generated by the
認識回路202の出力は、コントローラ201から出力される実行命令の認識結果として、Nビットの組み合わせに一意対応する2N個の出力ポートのいずれかから、制御信号として電気信号を出力する。すなわち、超高速パターン認識回路において、最下位のN番目の決定段階SNにおける2N-1個の決定ユニットUN-s,t(t=2N-1)のうちの1つの決定ユニットからの出力であって、2つの出力ポートのいずれか一方の出力ポートから、最終結果としての電気信号が出力される。認識回路202から出力された電気信号は、メモリ203の光共振器232を駆動し、メモリ203に予め記憶されている計算結果を検索する。メモリ203の詳細は後述する。メモリ203として高速光メモリを例に説明するが、本実施形態のコンピューティングプラットフォームにおいては、通常の電子回路からなるメモリを用いることもできる。
The output of the
メモリ203の検索結果は、計算結果を表す一連の直列光パルスとして出力される。直列光パルスは、選択回路204の光スイッチ241により、コントローラ201に送り返されるか、または次の計算ステップの新しいオペランドとして用いられるように、認識回路202に振り分けられる。コントローラ201に送り返される光パルスは、電気信号に変換され、シリアル-パラレル変換器(S/P)242を介して出力される。The search results from
図9に、本実施形態のコンピューティングプラットフォームの光メモリの概略の構成を示す。メモリ203は、入力から出力までのすべてを光信号で処理する全光メモリである。メモリ203は、認識回路202の2N個の出力ポートに対応して、2N個の光共振器232を備える(説明の便宜上4つの出力ポートの場合を示す)。複数の光共振器232a-dは、光パルス光源231に接続された光導波路237と光学的に結合されている。認識回路202のいずれか1つの出力ポートから電気信号が出力されて、対応する光共振器の1つが駆動されると、駆動された光共振器は、光パルス光源231からの光パルスを、分割回路233a-dに出力する。分割回路233は、光パルスを多数の光パルスに分割する光経路を有し、それぞれの光経路には、所定の遅延時間に設定された遅延回路236が設定されている。分割された光パルスは、空間光位相変調器であるLCOS(液晶オンシリコン)234により反射または吸収される。反射された光パルスは、元の光経路を伝播し、サーキュレータ235を介して、一連の直列光パルスとして出力される。
FIG. 9 shows a schematic configuration of the optical memory of the computing platform of this embodiment. The
分割回路233の遅延回路236の遅延時間と、LCOS234の反射制御とを、予め設定しておくことにより、入力された1つの光パルスから、所望の計算結果を表す一連の直列光パルス(図9においては「10110101」という計算結果を表す光パルス)を導出することができる。認識回路202で認識された実行命令は、メモリ203において光学的に処理されるので、従来の電子回路からなるメモリと比較して、応答時間が短縮され、消費電力を低減することができる。By setting the delay time of the
図10に、本実施形態の光メモリの他の構成例を示す。より高い計算処理能力を得るために、プロセッサの処理ビット数を増加させる一例を示す。ビット数の増加により、認識回路の出力ポートはべき乗で増加するので、光メモリにおける分割回路、LCOSの構成も飛躍的に増大する。そこで、メモリ303は、複数の波長の光パルスを用いて、波長分割多重によって処理する。
Fig. 10 shows another example of the configuration of the optical memory of this embodiment. This shows an example of increasing the number of processing bits of the processor in order to obtain higher computational processing power. As the number of bits increases, the output ports of the recognition circuit increase exponentially, so the configuration of the division circuit and LCOS in the optical memory also increases dramatically. Therefore, the
光パルス光源331は、複数の波長の光パルスを送出する多波長光源である。例えば、入力ワードには、実行命令に加えて波長選択のための付加ビットを付与しておく。認識回路202は、実行命令の認識結果として、2N個の出力ポートのいずれか1つから最終結果となる電気信号OUTと、波長選択用の付加ビットWSELとを出力する。光パルス光源331は、付加ビットWSELに応じた1つの波長を選択して光パルスを送出し、電気信号OUTが入力された光共振器332は、選択された波長の光パルスを分割回路に出力する。
The optical pulse
分割回路の前段には、分波回路としてアレイ導波路格子(AWG)337が挿入されており、波長に応じて、光共振器332から出力された光パルスを分割回路333a-dに分岐する。分割回路においては、分割された光パルスが、LCOS334により反射を制御され、サーキュレータ335を介して、一連の直列光パルスとして出力される。An arrayed waveguide grating (AWG) 337 is inserted as a branching circuit in front of the splitter circuit, and the optical pulse output from the
本実施形態によれば、従来の電子回路の高集積化によらず、高速動作が可能なコンピューティングプラットフォームを提供することができる。 According to this embodiment, it is possible to provide a computing platform capable of high-speed operation without relying on the high integration of conventional electronic circuits.
Claims (6)
前記制御信号に応じて予め記憶されている計算結果を出力するメモリと
を備え、
前記メモリは、前記認識回路の前記出力ポートの別に光の伝搬遅延および反射が前記計算結果に対応して予め設定された複数の光経路を含み、光源からの光パルスが前記制御信号に応じて導入された前記光経路において前記伝搬遅延を受けて反射した前記光源からの光パルスを前記計算結果として時系列に出力する光メモリである、ことを特徴とする光電子融合型コンピュータ。 a recognition circuit for recognizing an execution command including an operator and an operand output from a controller, the recognition circuit including a serial-parallel converter for outputting an optical pulse for controlling a corresponding decision stage for each bit of the execution command, and a decision circuit for selecting an output of the decision stage by the optical pulse and outputting a control signal from an output port uniquely corresponding to the execution command among a plurality of output ports ;
a memory that outputs a calculation result stored in advance in response to the control signal ;
The memory is an optical memory that includes a plurality of optical paths in which optical propagation delays and reflections are preset corresponding to the calculation results for each output port of the recognition circuit, and outputs, in a time series as the calculation results, optical pulses from a light source that are reflected after undergoing the propagation delay in the optical paths to which the optical pulses from the light source are introduced in response to the control signal .
前記制御信号に応じて予め記憶されている計算結果を出力するメモリとa memory that outputs a calculation result that has been stored in advance in response to the control signal;
を備え、Equipped with
前記メモリは、The memory includes:
前記認識回路の前記出力ポートごとに対応した光共振器であって、前記制御信号により光源からの光パルスを分岐する光共振器と、an optical resonator corresponding to each of the output ports of the recognition circuit, the optical resonator branching an optical pulse from a light source in response to the control signal;
前記光共振器から分岐された光パルスを分割する分割回路であって、分割された光経路に予め設定された遅延回路を含む分割回路と、a division circuit for dividing an optical pulse branched from the optical resonator, the division circuit including a delay circuit preset in the divided optical path;
前記分割回路の光経路から出力される光パルスの反射を制御する空間光位相変調器とを含み、a spatial light phase modulator that controls reflection of an optical pulse output from an optical path of the splitting circuit;
前記計算結果は、前記空間光位相変調器で反射された光パルスが前記分割回路から一連の直列光パルスとして出力されることを特徴とする光電子融合型コンピュータ。The calculation result is an optical pulse reflected by the spatial light phase modulator and output from the division circuit as a series of serial optical pulses.
前記認識回路の前記出力ポートごとに対応した光共振器であって、前記制御信号により前記光源からの光パルスを分岐する光共振器と、
前記光共振器から分岐された光パルスを分割する分割回路であって、分割された前記光経路に前記伝搬遅延が予め設定された遅延回路を含む分割回路と、
前記分割回路の前記光経路から出力される光パルスの前記反射を制御する空間光位相変調器とを含み、
前記計算結果として時系列に出力される光パルスは、前記空間光位相変調器で反射された光パルスが前記分割回路から出力される一連の直列光パルスであることを特徴とする請求項1に記載の光電子融合型コンピュータ。 The memory includes:
an optical resonator corresponding to each of the output ports of the recognition circuit, the optical resonator branching an optical pulse from the light source in response to the control signal;
a division circuit that divides an optical pulse branched from the optical resonator, the division circuit including a delay circuit in which the propagation delay is preset in the divided optical path;
a spatial light phase modulator for controlling the reflection of the optical pulse output from the optical path of the splitting circuit;
2. The optoelectronic hybrid computer according to claim 1, wherein the optical pulses output in a time series manner as the calculation result are a series of serial optical pulses output from the division circuit after the optical pulses are reflected by the spatial light phase modulator.
前記決定段階を制御する前記光パルスが入力される受光素子と、
前段の決定段階から出力された信号を、前記受光素子の出力に応じて、2つの出力ポートのうちのいずれかに信号を出力する判定回路とを含むことを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の光電子融合型コンピュータ。 The decision circuit of the recognition circuit comprises:
a light receiving element to which the optical pulse for controlling the decision step is input;
5. The optoelectronic hybrid computer according to claim 1, further comprising a determination circuit for outputting a signal output from a previous decision stage to one of two output ports depending on the output of the light receiving element.
前記メモリは、前記光共振器から分岐された光パルスを波長に応じて分岐して、前記分割回路に出力する分波回路をさらに含むことを特徴とする請求項4に記載の光電子融合型コンピュータ。 the light source is a multi-wavelength light source;
5. The optoelectronic hybrid computer according to claim 4 , wherein the memory further includes a branching circuit that branches the optical pulse branched from the optical resonator according to wavelength and outputs the branched optical pulse to the division circuit.
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