第10期 张 锐等:一套二进制向量-矩阵乘法运算的光计算系统!143!
设计上,此系统是一个典型的 4-f 光学系统,实验中利用光强来表示输入输出的数字量。在光源面上,每个LED发光的光强大小是相同的,那么LED发光时就可以表示输入数字为 1 ,不发光表示输入数字为 0 ;在光孔面上,通光孔可在矩阵中表示为 1 ,不通光孔表示为 0 。当亮条纹照在光孔上时,就实现了相乘,即亮条纹照在通光孔上完成了1#1=1运算,亮条纹照在不通光孔上完成1#0=0运算;扇入透镜把光孔面上每一行的光强信息都会聚到接收面上,若光孔面上同一行中只有一路光束通过扇入透镜,实现1+0=1运算,若同一行中有两路光束通过,实现1+1=2运算,以此类推。在接收面上形成明暗条纹的光强都是成比例的,令单通光孔形成条纹光强为 1 ,其他条纹则可按照倍数关系换算成数字量。光路分析表明,此光学向量-矩阵乘法器演示系统可以进行光学向量-矩阵乘法运算。
光学向量-矩阵乘法器所有的乘法、加法都可以同步高效地完成。这种光学系统能够在瞬间完成两个函数(或数值矩阵)之间的相关操作,相当于多个处理器(相当于函数的元素数量)联合在一起并行处理数据,这样的并行处理能力是惊人的,对处理很多领域中要求大计算量的傅氏变换是很有优势的。如果数值矩阵具有1000#1000=106个元素,那么这样的一个光学系统就有可能相当于具有106个处理器的传统超级巨型计算机的处理能力,而且更重要的是,将此光路结构进行紧凑处理后,这样的光学系统体积较小,结构非常简洁,没有传统超级巨型计算机那么庞大和复杂,无论是系统的稳定性还是系统的效率都具有很大的优越性。同时,这样的光学系统可扩展性非常好,只要相关器件技术得到提高,并在光学结构上进行改进,就可以大幅度提高并行计算处理的能力。
参考文献:
2 总 结
此系统是一套可实现4维向量与4#4维矩阵相乘的二进制光学乘法器系统,与传统电子计算机的核心运算器 累加器相比,它具有速度更快、信息量更大、并行度高等特点。此系统具有电子显示和电压输出的功能,只要在光源面上任意输入一组4维向量,同时就会在接收面上数字显示出运算结果,是一套实用性很强的教学科研演示系统。
光学向量-矩阵乘法器系统完成的是一个二维并行运算的光计算过程。由于光本身具有传播速度快和信息容量高,并且交叉光束之间不容易发生互相干扰的特点,使光学向量-矩阵乘法器在并行处理上有着明显优势,在传统计算机中,完成向量-矩阵乘法需要将乘法换算成加法运算,才能通过累加器进行计算,而
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