基于冗余数的光学并行加法器研究

本项目以自主研发的千位三值光学逻辑计算系统为实验平台，研究并行光学加法器的科学原理及其关键技术，以期解决将光学计算系统应用于数值计算领域中的基本科学问题。本项目拟将冗余数加法的并行性与光学计算的并行性相结合，研究能避免进位延时且适合众多位数据处理的光学并行加法器理论，探讨其架构、原理及其实现方法，建立相应的数学模型，并设计实现一个百位量级并行光学加法器原型；在此基础上，借鉴电子计算机多核(多CPU)并行工作机制和流水线工作机制，研究多加法器同步并行的科学原理与实现机制，探讨基于流水线方式工作的光学加法器设计实现方法，建立多加法器层面的并行工作模型和流水线工作模型；基于模型，进一步研究多加法器同步并行工作原型与流水线方式工作原型，探讨并行矩阵计算的科学方法、基本算法与应用方法。项目完成后将大大简化许多现在在电子计算机上应用时的复杂计算过程，显著降低能耗，为高性能计算开辟新的途径。

本项目基于本课题组在三值光学计算机领域的研究基础，研究基于冗余数的光学并行加法器理论、架构及其实现技术，首先结合MSD冗余数字系统的特点，对光学加法器理论进行了探讨，提出了一种新型的光学加法器模型，该加法器通过4种5步逻辑运算就可以实现数值加法运算，并且不会产生进位，这对于数据位众多的光学运算而言，是一件非常有意义的事。.在随后的研究中，我们引入了流水线和并行处理机制，提出了基于流水线方法的并行加法器实现机理与架构，这种并行加法器不仅将原来的5步逻辑运算缩减为三步实现，同时可以实现多个加法器的同时并行工作，并且，保留了加法运算过程中不产生进位的优良特性。通过设计的千位原型系统及大量的实验，证实了基于流水线的并行加法器模型及加法器架构的正确性和可行性，同时验证了该加法器在加法运算过程中的高效性。.项目在进展过程中，针对光学加法器的实际工作原理及MSD数的特点，重点解决了加法过程中的几个关键性问题，包括数据回馈问题、专用数据区设计问题、数据映射与解码问题等，这些问题的解决为加法器模型及结构设计提供了理论支持，它们也是加法运算进行流水线和并行操作的基础，此外，在研究过程中，我们还通过加法过程中加数与和数之间的关系，提出了一步式光学加法器理论，并设计其实现的光路。同时，应用项目中提出的光学加法器，在光学除法和矩阵加法应用方法和算法进行了探讨，本项目一方面为光学计算机的研究提出了一种全新的思路，另一方面，也为光学计算的发展及其在数值计算领域的应用奠定了基础。主要取得了如下一些成果与突破，主要包括基于MSD数光学并行加法器理论、模型及其设计实现方法、并行加法器原型、、基于MSD加法器的数据回馈策略、专用数据区设计、一步式光学加法器基本理论及实现光路等。