Une enquête sur la recherche informatique optique ternaire (2023)

Le principe de base et l'origine de l'ordinateur optique ternaire

En 1999, le professeur Jin Yi a découvert que deux états polarisés avec des directions de polarisation orthogonales peuvent être utilisés, l'état lumineux et l'état non lumineux, la direction de polarisation de la lumière peut être modifiée avec des cristaux liquides, la direction de polarisation peut être vérifiée avec polariseur, et l'état lumineux peut être changé d'un état lumineux à un état non lumineux avec des cristaux liquides et un polariseur. La transformation de l'état optique, puis réaliser la transformation logique à trois valeurs.

Au début de 2000, le professeur Jin Yi a réalisé une série d'expériences de principe, qui ont prouvé la faisabilité de la construction d'un ordinateur optique ternaire, et s'est également rendu compte que l'ordinateur optique ternaire aurait de nombreux chiffres pour le calcul. Mais dans cette période, il n'y a pas de méthode claire pour convertir l'état non lumineux en état léger, je voulais juste utiliser l'interchangeabilité des symboles dans les opérations logiques pour éviter de générer un opérateur avec une sortie lumineuse à partir de deux non-lumière contributions. Plus tard, une source lumineuse auxiliaire a été utilisée pour compléter ce genre d'opération. Dans le système prototype de processeur optique ternaire d'aujourd'hui, cette source de lumière auxiliaire est mise en œuvre avec un pixel à cristaux liquides,

En 2002, le professeur Jin a formellement proposé le principe de l'ordinateur optique ternaire et la structure hybride de l'optoélectronique dans sa thèse de doctorat, a établi le prototype du système théorique de l'ordinateur optique ternaire et a construit la structure globale de l'ordinateur optique ternaire et la structure optique de composants principaux, conçus. Le chemin lumineux de réalisation de l'opération logique à trois valeurs générée par l'étudiant en logique générale. Dans le même temps, le concept de calcul de la position et de calcul de la route a été établi. Sur cette base, l'idée de la gestion de la distance de l'ordinateur optique ternaire a été établie, les caractéristiques originales du système logiciel de l'ordinateur optique ont été soulignées et l'ordinateur optique ternaire a été étendu à la communication par fibre optique. Dans le domaine de la communication par fibre optique, l'idée et le schéma de mise en œuvre de l'utilisation d'un signal optique ternaire pour la communication par fibre optique sont proposés.

La proposition de Carry Direct Adder Idea

En août 2004, Jin Yi, He Huacan et d'autres ont créé le principe de base de l'additionneur informatique optique ternaire report-parallèle et ont créé l'additionneur report-portage.

Lorsqu'un ordinateur ternaire construit un additionneur, il identifie toujours l'opération d'addition comme une combinaison d'opérations logiques binaires, puis utilise un opérateur logique binaire pour construire l'additionneur. Dans les ordinateurs électroniques, afin de résoudre le retard d'une seule ligne lors du transport, la stratégie Carry-first fournit une base théorique pour la conception et la mise en œuvre d'un additionneur complet dans un ordinateur optique ternaire.

Représentation numérique ternaire équilibrée

Les ordinateurs électroniques traditionnels utilisent des « chaînes de transport parallèles en paquets » ; cette approche augmente la vitesse des opérations en augmentant la complexité du cas d'utilisation, et la complexité de l'ordinateur augmente avec le nombre de bits dans l'ordinateur. Pour un ordinateur optique avec un grand nombre de bits, cette conception augmentera la structure de l'additionneur d'ordinateur optique.

En 2006, l'équipe informatique optique ternaire a introduit pour la première fois la représentation numérique ternaire équilibrée et la méthode de calcul dans l'ordinateur optique ternaire, qui a fourni une base théorique pour l'étude et la réalisation des composants arithmétiques de l'ordinateur optique ternaire.

En 2007, Yin Xunwei, étudiant à la maîtrise, a étudié la technologie de "l'élimination des convertisseurs photoélectriques" et a utilisé cette technologie pour simplifier efficacement la structure du demi-additionneur, réduire la difficulté d'ingénierie du demi-additionneur et raccourcir le cycle de travail. du demi-additionneur.

Dans l'ordinateur optique ternaire, le ternaire symétrique {−1, 0, 1} est utilisé pour représenter les données. Sous la représentation ternaire symétrique, les nombres positifs et négatifs ont la même forme d'expression, de sorte que les opérations d'addition et de soustraction ont la même Le processus d'opération de, ce qui apporte également une commodité au fait que l'opération de soustraction n'a pas besoin d'être complétée ; le nombre négatif peut être directement envoyé à l'additionneur pour terminer l'opération de soustraction. Bien que l'additionneur dans la représentation ternaire symétrique ait toujours le problème du retard de retenue, il simplifie l'opération de soustraction.

Recherche expérimentale sur les encodeurs/décodeurs

En 2007, Yan Junyong et Sun Hao de l'équipe informatique optique ternaire ont mené une étude expérimentale sur les codeurs et décodeurs à un et neuf bits de l'ordinateur optique ternaire utilisant des composants optiques séparés. Cette expérience a prouvé que le codeur de signal optique ternaire et la faisabilité du décodeur, l'ordinateur optique ternaire est depuis entré dans la phase expérimentale,

Recherche sur le stockage de données de l'ordinateur ternaire

En 2007, le doctorant Zuo Kaizhong a discuté du problème du stockage des données de lumière polarisée et a proposé une méthode de stockage optique numérique holographique à polarisation ternaire basée sur un film de bactériorhodopsine. La même année, une méthode de stockage numérique holographique à polarisation ternaire basée sur un film d'anhydride in dole fulgine a été proposée. Cette méthode peut réaliser des opérations d'adressage et de lecture et d'écriture parallèles en unités de pages, ce qui est le début du développement de la mémoire optique informatique ternaire.

Effectuer des recherches sur la gestion des bits de données d'un ordinateur optique ternaire

En 2007, visant la largeur de données élevée (nombre de bits de données) de l'ordinateur optique ternaire, sur la base des quatre stratégies et concepts de gestion de bits de données proposés tels que le nombre de bits, la piste de comptage, le type de bit de comptage, le type de piste de comptage, etc. Le professeur Yi a en outre enrichi et incarné la stratégie de base de la gestion d'une largeur de données élevée et a fait la planification initiale pour la conception du système d'exploitation informatique optique ternaire.

Proposer la théorie de la conception de la dévaluation

En 2007, doctorat. l'étudiant Yan Junyong a eu l'idée de trouver l'unité la plus basique dans la structure d'un processeur optique ternaire, et a effectué les premières recherches et obtenu les premiers résultats. Plus tard, les doctorants du professeur Jin Yi, Yan Junyong et Zuo Kaizhong se sont concentrés sur ce travail. Après près d'un an de recherches approfondies, ils ont découvert la loi de la conception de l'amortissement et ont extrait la théorie de la conception de l'amortissement de cette loi. Parmi eux, le Dr Yan Junyong a établi une spécification de conception correspondante pour l'amortissement et l'a appliquée aux composants de l'opérateur logique à trois valeurs. En combinant la théorie de la conception de la valeur et la logique à valeurs multiples, il a proposé une conception à deux niveaux avec des cristaux liquides et un polariseur comme composants principaux. Une structure générale d'implémentation d'un opérateur optique logique méta-ternaire.

Effectuer des recherches sur l'application informatique optique ternaire

En 2007, sous la direction de la théorie de la conception à valeur réduite, un processeur optique à logique ternaire a été mis en œuvre et un système expérimental informatique optique ternaire avec le processeur comme dispositif central a été achevé. Le processeur optique logique à trois valeurs adopte la méthode de traitement des informations de plan bidimensionnel, qui présente des avantages uniques : il possède d'énormes bits de données, une capacité d'opération logique reconfigurable et réalise des caractéristiques de fonctionnement à trois valeurs. Par conséquent, il est tout à fait possible de trouver des points d'application appropriés pour le système de traitement optique, et une exploration approfondie peut faire jouer pleinement le système.

Recherche d'application de diverses propriétés avantageuses. Ce type de résultats de recherche sera directement transplanté sur la nouvelle plate-forme après la recherche réussie du processeur optique à logique ternaire reconfigurable mille bits.

Système d'expérimentation

En 2011, le Dr Ouyang Shan a conçu le système d'expérimentation de TOC parallèle reconfigurable mille bits SD11, qui était le premier TOC pratique. En utilisant la technologie connexe de l'ordinateur optique ternaire, une structure prototype du système de surveillance informatique optique ternaire est établie, ce qui donne l'idée initiale du système de surveillance informatique optique ternaire.

Le système expérimental SD11 fournit la base des futures routines de multiplication, des systèmes de surveillance et de la gestion des tâches, et TOC entre officiellement dans la phase expérimentale.

Système de surveillance informatique de la lumière ternaire

En 2011, le Dr Wang Xianchao a réalisé le premier prototype d'un système de surveillance informatique optique ternaire avec une gestion efficace des ressources du processeur informatique optique avec d'énormes bits de données comme contenu principal.

Après six mois de recherche par le Dr Wang Xianchao, il a finalement déterminé l'architecture de surveillance du COT, comme le montrefigure 3. Le workflow est le suivant : La fonction principale du client est de saisir la table de vérité en fonction de l'utilisateur (à propos du format de saisie de la table de vérité, l'opérande Effectuer la conversion de la communication avec la table de vérité pour générer les données représentées par le code de communication, générer la demande d'opération de l'utilisateur, et l'envoyer au serveur. Par contre, lors de la réception du résultat d'opération représenté par le code interne de communication, il est communiqué La transformation inverse génère le résultat d'opération représenté par ASCII code ; la fonction principale du côté serveur est d'abord de trier la demande d'opération reçue du client, et d'insérer la demande d'opération triée dans la liste liée des demandes d'opération en fonction de sa priorité ; la demande d'opération est planifiée selon une certaine stratégie de planification , et la demande d'opération nouvellement planifiée est envoyée à l'ordinateur inférieur ; une fois la planification terminée, les ressources du processeur sont allouées à chaque demande d'opération, et le code de reconstruction de l'opérateur requis pour chaque opération est obtenu en même temps, et le traitement Le résultat de l'allocation du processeur et le code de reconstruction sont envoyés à l'ordinateur inférieur ; l'ordinateur inférieur achève l'opération pour l'utilisateur selon les opérandes dans la demande d'opération utilisateur, le résultat d'allocation de processeur et le code de reconstruction d'opérateur ; enfin, le résultat de l'opération est envoyé au client.

Figure 3.

Le Dr Wang Xianchao a effectué une série de tests dessus, vérifié sa robustesse, sa fiabilité et son exactitude, proposé un algorithme pour allouer proportionnellement les ressources du processeur optique d'un ordinateur optique ternaire et mis en œuvre le programme de gestion correspondant. L'importance pratique réside dans l'enrichissement de la théorie et de la technologie de la gestion des bits de données dans le système de surveillance informatique. Son importance pratique réside dans le fait qu'il ouvre la voie aux utilisateurs pour qu'ils utilisent l'ordinateur optique ternaire de manière pratique et efficace. L'utilisation d'ordinateurs optiques ternaires pour résoudre des problèmes majeurs difficiles peut pleinement refléter la valeur sociale et économique de TOC, concevoir et construire le logiciel du système de surveillance des ordinateurs optiques ternaires, utiliser directement des processeurs optiques ternaires pour les langages de programmation de haut niveau et pour les premiers la base pour la formation d'un système de surveillance informatique optique ternaire pratique.

Opérations - Fichiers de données

Afin de conserver les habitudes de programmation d'origine et de mieux utiliser les avantages de la table des matières dans l'application, les membres de l'équipe utilisent la forme de fichiers de données d'exploitation (fichiers SZG) pour inclure toutes les fonctionnalités de la table des matières. Par conséquent, le principal moyen d'utiliser TOC est le fichier SZG.

En 2012, Song Kai a établi la première version du fichier SZG, qui établissait principalement que le fichier SZG était composé de deux parties : l'en-tête pour enregistrer les informations globales et la zone de données pour enregistrer les données d'origine ; le fichier de données d'exploitation pour l'ordinateur optique ternaire a été établi. La forme de l'expression est *SZG et le résultat du calcul correspondant est enregistré sous la forme *_R.SZG, où le caractère générique * est le nom complet du fichier de données d'origine (y compris le chemin de stockage) donné par l'utilisateur. Sur la base de cette version du fichier SZG, le MPI gourmand en langage C est terminé. Développement de base de l'énoncé. D'après l'expérience, il est clair que deux types d'ordinateurs peuvent fonctionner ensemble dans le même programme d'application en étendant le langage de programmation existant basé sur le fichier SZG pour former la plate-forme de programme d'application malveillante de TOC.

2013, l'équipe Jin Yi et d'autres ont établi la deuxième version du fichier SZG. Cette version du fichier SZG définit plus en détail la forme d'en-tête du fichier SZG et donne les noms et les fonctions de chaque élément contenu dans l'en-tête du fichier. et le nombre de bits, donnant le nombre et l'emplacement des bits réservés. Cette version confère non seulement aux fichiers SZG une valeur pratique de base, mais jette également les bases de la construction d'un logiciel de gestion des tâches TOC, d'un logiciel d'allocation de bits de données, d'un logiciel de reconstruction de processeur et d'autres logiciels de base sous-jacents.

Avec le développement de la recherche sur les logiciels sous-jacents TOC, des définitions plus détaillées sont nécessaires pour chaque élément de l'en-tête du fichier SZG afin de garantir que le logiciel principal sous-jacent TOC peut comprendre sans ambiguïté l'intention de l'utilisateur exprimée dans le fichier SZG. Avec la mise en place de routines d'opérations de multiplication 40 bits, de routines d'opérations de division, de routines d'algorithmes FFT et DFT de TOC, les fichiers SZG sont nécessaires pour exprimer des demandes d'opérations plus complexes et davantage de routines d'opérations mathématiques sont développées pour des tiers. Créez des conditions avec des routines algorithmiques courantes. Avec l'approfondissement de l'exploration des scénarios d'application potentiels de TOC, il est également nécessaire que les données d'origine ou les résultats d'opération puissent être facilement extraits des fichiers SZG existants ou de leurs fichiers de résultats pour générer de nouveaux fichiers SZG - formant une chaîne de fichiers SZG. Par conséquent, la troisième version du format de fichier SZG a été établie en 2015, qui est également la version finalisée, comme indiqué dansFigure 4.

Figure 4.

Le fichier SZG est le seul moyen pour TOC d'obtenir les données de fonctionnement de l'utilisateur. Le fichier SZG se compose de deux parties : l'en-tête du fichier et les données d'opération (corps du fichier). L'en-tête du fichier enregistre les paramètres structurels de chaque opérateur requis par l'utilisateur et les paramètres généraux des données de fonctionnement. Les informations contenues dans l'en-tête du fichier fournissent principalement des paramètres pour reconstruire le processeur optique. La zone de données est l'opérande saisi par l'utilisateur, y compris l'opérande b et le numéro d'opération a. Afin d'assurer une compréhension précise des données de fonctionnement de l'utilisateur, la forme du fichier SZG construit par l'utilisateur doit être cohérente avec la forme du fichier SZG lu par la table des matières. Par conséquent, la définition du format de fichier SZG est au cœur de cette technologie.

Routines de multiplication 40 bits

La multiplication est l'une des fonctions importantes requises dans la marche de TOC vers le domaine de l'informatique numérique. En 2013, un étudiant de troisième cycle Hu Xiaojun a conçu et mis en œuvre une routine de multiplication de 40 bits pour ordinateur optique ternaire en tirant parti des fonctionnalités de TOC, qui est reconfigurable, avec un grand nombre de bits de données et sans retard de report., via le M transformation dans la logique à trois valeurs pour générer le produit partiel du processus intermédiaire de multiplication, puis utiliser la méthode de calcul itérative consistant à ajouter deux paires pour additionner les valeurs afin d'obtenir le produit final. Hu Xiaojun a établi une routine de fonctionnement spécifique en adoptant le schéma d'opérateur M unique et le schéma d'itération d'addition de «nombre de sommes» du calcul du pipeline combiné à la conception et à la planification du système de surveillance du COT, et a donné la méthode spécifique pour les utilisateurs de niveau supérieur. utiliser cette routine ; la première implémentation de TOC La fonction de multiplication est une fonction d'opération arithmétique clé de TOC, et elle fournit également des idées de recherche et des comparaisons de méthodes pour le développement futur d'autres fonctions de TOC (telles que la multiplication matricielle).

Machine physique informatique légère ternaire

En août 2016, lors de l'optimisation de la structure du processeur optique ternaire et de la reconstruction du système, le membre de l'équipe, le Dr Li Shuang, a proposé la structure de l'ordinateur optique ternaire - structure SD16, et a construit la machine SD16 - No.0 en novembre 2016 (Figure 5).

Figure 5.

Septembre 2017, afin de reproduire la structure du SD 16 et en même temps d'optimiser la méthode d'assemblage de chaque composant, l'équipe a construit SD16 - Machine n°1 (Figure 6).

Figure 6.

La structure de la machine physique SD 16 est un saut dans le développement de TOC, ce qui prouve l'authenticité de TOC, et signifie également que toutes les théories sont basées sur la réalisation, fournissant un environnement expérimental pour toutes les recherches ultérieures.

Logiciel de génération de fichiers de données informatiques

Objectivement parlant, après avoir défini la version finale du format de fichier SZG, lorsque l'utilisateur est familiarisé avec le format défini, n'importe quel logiciel d'édition peut être utilisé pour générer le fichier SZG à partir de l'équipement de protection d'origine, mais cette méthode augmente le temps de calcul, donc en 2018, le Dr Li Shuang a conçu le logiciel de génération de fichiers SZG. Ce logiciel occupe une petite quantité de ressources système, n'augmente pas la charge sur le système client, évite la perte de données, stocke les données de l'utilisateur dans une mémoire non volatile et garantit que les fichiers SZG existants sont suivis et modifiés rétrogradement à tout moment. , ce qui permet aux utilisateurs de se mettre à jour.

La fonction du logiciel est de générer le fichier SZG initial grâce à la saisie par l'utilisateur des données d'origine et des règles de calcul. Compte tenu de la convivialité de l'interface de saisie de l'utilisateur, l'exactitude, l'exhaustivité et la simplicité des informations saisies par l'utilisateur déterminent la détermination finale de ce document, comme indiqué dansFigure 7. Comme indiqué dans l'interface d'entrée utilisateur du logiciel de génération SZG, l'utilisateur n'a qu'à saisir des données via l'invite, puis le logiciel générera l'opération de fichier, ce qui améliore considérablement l'efficacité informatique.

Figure 7.

Le logiciel de génération de logiciels de fichiers SZG fournit une plate-forme de programmation correspondante pour la table des matières, donne la théorie de base et la technologie de base de la construction d'un nouvel environnement de programmation informatique, améliore la base théorique existante de la table des matières et prépare la table des matières à entrer dans la phase d'application.

Logiciel de gestion de grandes tâches

En 2018, le Dr Zhang Sulan a étudié le contenu suivant sur la base des caractéristiques du processeur optique ternaire avec un grand nombre de bits de processeur, qui peuvent être regroupés et alloués petit à petit : 1) Avant que le processeur optique ternaire ne commence à calculer le données, il doit être Reconstruire diverses calculatrices requises par l'utilisateur; 2) Les données d'origine sont transmises aux calculatrices reconstruites de manière simple et rapide. À cette fin, l'équipe de recherche a proposé un modèle de programmation calcul-données, puis a structuré le système logiciel informatique optique ternaire, classifié les tâches de calcul proposées par les utilisateurs et déterminé les objets de contrôle du logiciel de gestion des grandes tâches.

Après près de 5 ans de travail acharné, le gros logiciel de gestion des tâches développé a les fonctions suivantes : accepter correctement la requête informatique de l'utilisateur ; générer les tâches correspondantes selon la stratégie de calcul, gérer et planifier efficacement ces tâches ; allouer raisonnablement les grandes tâches reçues Ressources binaires du processeur optique ternaire ; et générer des trames d'instructions reconstruites et des trames de codage d'opérandes qui répondent aux exigences du format de processeur optique ternaire ; enfin, les résultats de fonctionnement du décodeur doivent être obtenus et correctement restitués aux utilisateurs correspondants.

La conception et la mise en œuvre du logiciel de gestion des grandes tâches fournissent des idées et une base expérimentale pour la classification détaillée des tâches ultérieures de la table des matières. En fait, la mise en œuvre du grand logiciel de gestion des tâches ne complète qu'une petite partie de la classification des tâches TOC, et la classification restante doit se poursuivre. Recherche,