一種提高硅基光學(xué)矩陣處理器數(shù)據(jù)分辨率的方法及處理器的制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種提高光學(xué)矩陣處理器數(shù)據(jù)分辨率的方法和處理器。所述方法包括：激光器陣列輸出激光信號(hào)，通過(guò)光調(diào)制器陣列接收激光器陣列輸出的激光信號(hào)并進(jìn)行調(diào)制形成N×1向量A；微環(huán)光調(diào)制器矩陣形成調(diào)制深度為M×N矩陣B的調(diào)制器矩陣；其通過(guò)將向量A劃分成k個(gè)子向量，將矩陣B劃分成k個(gè)子矩陣，分別進(jìn)行光調(diào)制，進(jìn)而得到k個(gè)子向量和k個(gè)子矩陣的乘積；k個(gè)探測(cè)器線(xiàn)陣分別探測(cè)得到k個(gè)子向量與k個(gè)子矩陣的乘積，并進(jìn)而得到向量A和矩陣B的乘積。子向量和子矩陣的元素位寬為m，按位分離后形成m個(gè)位向量和m個(gè)位矩陣，將位向量和位矩陣分別相乘，進(jìn)而得到子向量和子矩陣的乘積。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種提高硅基光學(xué)矩陣處理器數(shù)據(jù)分辨率的方法及處理器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光信息處理和光計(jì)算【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種提高硅基光學(xué)矩陣處理器數(shù)據(jù)分辨率的方法及處理器。
【背景技術(shù)】
[0002]以空間自由光學(xué)或平面集成光學(xué)為基礎(chǔ)的光學(xué)矩陣處理技術(shù)，都具有帶寬大、并行性強(qiáng)、數(shù)據(jù)吞吐量大、乘法累加運(yùn)算密集等特點(diǎn)，非常適合用于離散傅立葉變換、線(xiàn)性卷積和循環(huán)卷積、矩陣求逆、自相關(guān)和互相關(guān)等矩陣-向量乘法密集型運(yùn)算，其基本計(jì)算過(guò)程為乘法累加。而數(shù)字信號(hào)處理的核心運(yùn)算過(guò)程為乘法累加(MAC)過(guò)程，因此可將光學(xué)矩陣處理器與電信號(hào)處理模塊進(jìn)行集成，形成面向海量信息處理的光學(xué)數(shù)字信號(hào)處理器。電學(xué)模塊將源數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后，形成參與運(yùn)算的向量和矩陣數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)通過(guò)激光器陣列和調(diào)制器矩陣被加載到光學(xué)矩陣處理器，完成MAC運(yùn)算后，數(shù)據(jù)由后端的光電探測(cè)器陣列讀出。此外，電學(xué)控制模塊還對(duì)海量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的信號(hào)和時(shí)鐘時(shí)序進(jìn)行同步控制，電學(xué)存儲(chǔ)模塊對(duì)處理過(guò)程中的臨時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存。將光學(xué)矩陣處理器和電學(xué)處理模塊集成后，可充分發(fā)揮光學(xué)適于計(jì)算、電學(xué)適于控制的特點(diǎn)，完成海量數(shù)據(jù)的高速處理，可廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、通信、聲納、圖像等海量信息處理領(lǐng)域。
[0003]為了研究以光學(xué)矩陣處理器和電學(xué)控制處理模塊相結(jié)合的光電混合DSP系統(tǒng)，文獻(xiàn)“High-speed and low-power electro-optical DSP processor，，(Journal of theOptical Society of America A, 2009, Vol.26, N0.8, pp.A11-A20.)對(duì)基于空間光學(xué)向量-矩陣乘法器的光電混合數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)進(jìn)行了探索，分析了用于數(shù)據(jù)信息表達(dá)的外圍控制、存儲(chǔ)、和處理構(gòu)架，對(duì)系統(tǒng)的處理能力進(jìn)行了預(yù)估，并給出了光電混合DSP系統(tǒng)的未來(lái)發(fā)展方向。文獻(xiàn)“On-chip CMOS-compatible optical signal processor”(OpticsExpress, 2012, Vol.20, N0.12，PP.13560-13565.)提出了基于硅基納米線(xiàn)光波導(dǎo)的集成化光學(xué)矩陣處理器，完成了動(dòng)態(tài)調(diào)制信號(hào)的加載和運(yùn)算實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，硅光技術(shù)與CMOS工藝結(jié)合，有望成為光計(jì)算發(fā)展的新方向。針對(duì)提高光學(xué)向量-矩陣處理器運(yùn)算速度和精度可能遇到的難點(diǎn)，文獻(xiàn)“Technical Limitations on an Optoelectronic Vector-MatrixProcessor，，(Journal of Communications Technology and Electronics,2008, Vol.53,N0.8，pp.927-933.)對(duì)基于光學(xué)向量-矩陣乘法器的數(shù)字計(jì)算系統(tǒng)的廣義模塊構(gòu)架進(jìn)行了分析和討論，指出數(shù)字計(jì)算系統(tǒng)中模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(AD器件)的動(dòng)態(tài)范圍和分辨率、數(shù)據(jù)預(yù)處理和后處理算法是影響系統(tǒng)運(yùn)算精度的主要因素。文獻(xiàn)“Performance of anembedded optical vector matrix multiplication processor architecture，， (IETOptoelectronics, 2010, Vol, 4, Iss.4, pp.159-164)提出了一種光學(xué)向量-矩陣乘法器的嵌入式結(jié)構(gòu)，并對(duì)光電混合數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流進(jìn)行了分析，指出電學(xué)控制、存儲(chǔ)和處理模塊以及電學(xué)模塊與光學(xué)機(jī)構(gòu)之間的信號(hào)連接是系統(tǒng)發(fā)展的主要瓶頸。
[0004]從文獻(xiàn)中可以看出，要使光學(xué)向量-矩陣乘法器充分發(fā)揮其并行高速運(yùn)算性能，必須有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)載入、數(shù)據(jù)讀出、預(yù)處理及后處理算法做支撐，以形成具有自有體系的光學(xué)數(shù)字信號(hào)處理器。而隨著光學(xué)矩陣處理器光路數(shù)的增加和輸入數(shù)據(jù)分辨率的提升，光電探測(cè)器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)范圍和分辨率要求會(huì)隨著乘法累加過(guò)程而上升，光電探測(cè)器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的有限的分辨率將難以支撐高維度和高精度的向量-矩陣乘法運(yùn)算。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005](一 )要解決的技術(shù)問(wèn)題
[0006]隨著光學(xué)向量-矩陣處理器路數(shù)的增加，光電探測(cè)器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器件的分辨率和動(dòng)態(tài)范圍要求會(huì)隨著乘法累加過(guò)程而急速上升，因此需要提出合理的計(jì)算結(jié)構(gòu)和計(jì)算方法，突破光電器件和模數(shù)轉(zhuǎn)換器件的瓶頸，提高光學(xué)矩陣處理器的數(shù)據(jù)分辨率。通過(guò)本發(fā)明提出的技術(shù)方案，不僅可以降低后端光電轉(zhuǎn)換器件和模數(shù)轉(zhuǎn)換器件的分辨率要求，還可以提升向量和矩陣的維數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)光學(xué)數(shù)字信號(hào)處理器的光路數(shù)和計(jì)算精度的可持續(xù)升級(jí)。
[0007]( 二 )技術(shù)方案
[0008]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所提出的技術(shù)方案如下:
[0009]本發(fā)明提供了一種提高光學(xué)矩陣處理器數(shù)據(jù)分辨率的方法，其包括:
[0010]多波長(zhǎng)激光器陣列輸出N路激光信號(hào)，每路激光信號(hào)具有不同波長(zhǎng)；
[0011]微環(huán)調(diào)制器陣列形成調(diào)制深度為MXN矩陣B的調(diào)制器矩陣；
[0012]光調(diào)制器陣列接收激光器陣列輸出的激光信號(hào)，并進(jìn)行調(diào)制后形成NX I向量A ;通過(guò)將向量A劃分成k個(gè)子向量，將矩陣B劃分成k個(gè)子矩陣，分別進(jìn)行光調(diào)制，進(jìn)而得到k個(gè)子向量和k個(gè)子矩陣的乘積；
[0013]k個(gè)探測(cè)器線(xiàn)陣分別探測(cè)得到k個(gè)子向量與k個(gè)子矩陣的乘積，并進(jìn)而得到向量A和矩陣B的乘積，其中，M、N和k為大于I的自然數(shù)。
[0014]其中，所述k根據(jù)探測(cè)單元的分辨率取最小值。
[0015]其中，將向量A均勻劃分成所述k個(gè)(N / k) X I子向量，將矩陣B均勻劃分成所述k個(gè)MX (N / k)的子矩陣，N能夠被k整除。當(dāng)N不能被k整除時(shí)，將N分成％、N2,……Nk等部分，N1^N2,……Nk的均方差取最小值。
[0016]其中，將所述k個(gè)子向量和k個(gè)子矩陣中的每一個(gè)子向量和子矩陣根據(jù)元素值的位寬，按位劃分成多個(gè)位向量和位矩陣，每個(gè)位向量和位矩陣元素為原子向量和原子矩陣中元素對(duì)應(yīng)位的值。
[0017]其中，k為向量A和矩陣B中元素的位寬。
[0018]其中，所述k個(gè)子向量為NXl向量,每個(gè)子向量中元素值為向量A中對(duì)應(yīng)元素的相應(yīng)位值，所述k個(gè)子矩陣為MXN向量，每個(gè)子矩陣中元素值為矩陣B中對(duì)應(yīng)元素的相應(yīng)位值。
[0019]本發(fā)明還提供了一種光學(xué)矩陣處理器，其包括:
[0020]激光器陣列，其產(chǎn)生N個(gè)不同波長(zhǎng)的激光信號(hào)；
[0021]調(diào)制器陣列，其對(duì)所述激光器陣列發(fā)出的N個(gè)不同波長(zhǎng)的激光信號(hào)進(jìn)行功率調(diào)制，每個(gè)激光信號(hào)的調(diào)制功率構(gòu)成NX I向量A的元素；
·[0022]波分復(fù)用器，其用于將所述調(diào)制器陣列輸出的N個(gè)光調(diào)制信號(hào)復(fù)用形成一條波分復(fù)用信號(hào)；[0023]光分束器，其用于將所述波分復(fù)用信號(hào)等功率均分成kM份；
[0024]微環(huán)調(diào)制器矩陣，其包括kM條輸入波導(dǎo)、MXN個(gè)微環(huán)諧振器R、kM條下載波導(dǎo)，所述kM條輸入波導(dǎo)分別接收所述kM份波分復(fù)用信號(hào)，每條輸入波導(dǎo)掛接N / k個(gè)微環(huán)諧振器；每個(gè)微環(huán)諧振器選擇與其對(duì)應(yīng)的輸入波導(dǎo)上的波分復(fù)用信號(hào)中相應(yīng)波長(zhǎng)的信號(hào)進(jìn)行調(diào)制并下載，所述MXN微環(huán)諧振器的調(diào)制深度構(gòu)成MXN矩陣B ;
[0025]探測(cè)器陣列，其包括k個(gè)MX I探測(cè)器線(xiàn)陣，用于探測(cè)每條下載波導(dǎo)中微環(huán)諧振器輸出的調(diào)制光信號(hào)，并將探測(cè)到的調(diào)制光信號(hào)轉(zhuǎn)換成光電流信號(hào)后輸出；
[0026]跨阻放大器陣列，其包括kM個(gè)跨阻放大器，用于將探測(cè)器輸出的光電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號(hào)； [0027]模數(shù)轉(zhuǎn)換器陣列，其包括kM個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器，用于將跨阻放大器輸出的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，最后，將數(shù)字信號(hào)相加，得到所述向量A和矩陣B的乘積C的向量元素。
[0028](三)有益效果
[0029](I)本發(fā)明采用多個(gè)探測(cè)單元接收硅基光學(xué)矩陣處理器中NX I階向量和MXN矩陣行向量之間的點(diǎn)積結(jié)果，同時(shí)在對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行倍頻的情況下對(duì)高位寬數(shù)據(jù)進(jìn)行分離相乘，突破了光學(xué)矩陣處理器中探測(cè)器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)范圍和分辨率瓶頸，使系統(tǒng)可以適應(yīng)更高分辨率的矩陣-向量乘法運(yùn)算；
[0030](2)本發(fā)明所提出的方法不僅可以突破光電器件和模數(shù)轉(zhuǎn)換器件的分辨率瓶頸，提高光學(xué)矩陣處理器數(shù)據(jù)的有效分辨率，還可以使光學(xué)矩陣處理器的路數(shù)往更高級(jí)數(shù)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)光學(xué)信號(hào)處理系統(tǒng)路數(shù)和計(jì)算精度的升級(jí)。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0031]圖1是本發(fā)明實(shí)施例中采用多個(gè)探測(cè)器來(lái)接收矩陣B的行向量和A向量的點(diǎn)積，從而實(shí)現(xiàn)乘法運(yùn)算的硅基光學(xué)矩陣處理器結(jié)構(gòu)示意圖。
[0032]圖2是本發(fā)明實(shí)施例中采用數(shù)據(jù)分位相乘的方法實(shí)現(xiàn)矩陣向量乘法運(yùn)算的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0033]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。需要說(shuō)明的是，在附圖或說(shuō)明書(shū)描述中，相似或相同的部分都使用相同的圖號(hào)。附圖中未繪示或描述的實(shí)現(xiàn)方式，為所屬【技術(shù)領(lǐng)域】中普通技術(shù)人員所知的形式。另外，雖然本文可提供包含特定值的參數(shù)的示范，但應(yīng)了解，參數(shù)無(wú)需確切等于相應(yīng)的值，而是可在可接受的誤差容限或設(shè)計(jì)約束內(nèi)近似于相應(yīng)的值。此外，以下實(shí)施例中提到的方向用語(yǔ)，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，僅是參考附圖的方向。因此，使用的方向用語(yǔ)是用來(lái)說(shuō)明并非用來(lái)限制本發(fā)明。
[0034]圖1為采用硅基光學(xué)矩陣處理器計(jì)算MXN矩陣B (矩陣元素為bij; i = 1,2,…M, j=l,2,…N)和NXl向量A(向量元素為ai;i = 1,2,...N)乘法的示意圖,該構(gòu)架由以下幾部分組成:多波長(zhǎng)激光器陣列、調(diào)制器陣列、波分復(fù)用器、光分束器、微環(huán)調(diào)制器矩陣、探測(cè)器陣列。
[0035]多波長(zhǎng)激光器陣列:用于發(fā)射N(xiāo)個(gè)不同波長(zhǎng)的具有恒定功率的激射光。每個(gè)激光器的波長(zhǎng)分別為λ P λ 2>…λ N。
[0036]調(diào)制器陣列:每個(gè)激光器后端配備一個(gè)調(diào)制器，用于對(duì)該激光器所發(fā)射出的激射光進(jìn)行調(diào)制。調(diào)制器的調(diào)制深度決定了其輸出端光信號(hào)的光功率，調(diào)制深度越大，輸出光功率越小。N個(gè)調(diào)制器所輸出的N個(gè)調(diào)制光信號(hào)的功率則表示輸入向量A中的每個(gè)元素。
[0037]波分復(fù)用器:將調(diào)制器陣列輸出的N個(gè)調(diào)制光信號(hào)進(jìn)行合束并復(fù)用到同一條波導(dǎo)中，形成波分復(fù)用信號(hào)。
[0038]光分束器:接收波分復(fù)用器輸出的波分復(fù)用信號(hào)，將該信號(hào)等功率地分成2Μ份，然后將均分后的波分復(fù)用信號(hào)分配給后端微環(huán)調(diào)制器矩陣模塊中的每一條輸入波導(dǎo)。
[0039]微環(huán)調(diào)制器矩陣:微環(huán)調(diào)制器矩陣中含有2Μ條輸入波導(dǎo)、MXN個(gè)微環(huán)諧振器、2Μ條下載波導(dǎo)，2Μ條輸入波導(dǎo)接收來(lái)自光分束器輸出的均分后的波分復(fù)用信號(hào)。每一個(gè)微環(huán)調(diào)制器都具有波長(zhǎng)選擇性，即微環(huán)諧振器Ru只對(duì)波長(zhǎng)為λ j的光信號(hào)產(chǎn)生調(diào)制并下載。當(dāng)微環(huán)諧振器Ru諧振時(shí)，波長(zhǎng)為λ j的光信號(hào)被耦合進(jìn)Ru中，然后耦合進(jìn)下載波導(dǎo)中；當(dāng)微環(huán)諧振器Ru不諧振時(shí)，波長(zhǎng)為λ ^的光信號(hào)不受Ru的影響，直接在輸入波導(dǎo)中傳輸。微環(huán)諧振器Rij的調(diào)制深度越深，通過(guò)下載波導(dǎo)輸出的波長(zhǎng)為的光信號(hào)能量越大。微環(huán)諧振器調(diào)制深度bu與激光器發(fā)出的調(diào)制光信號(hào)a]形成乘積所有被微環(huán)諧振器調(diào)制并下載的光信號(hào)在下載波導(dǎo)的輸出端實(shí)現(xiàn)求和，求和信號(hào)輸出后由探測(cè)器陣列接收。
[0040]探測(cè)器陣列:由2M個(gè)探測(cè)器組成，用于接收來(lái)自微環(huán)調(diào)制器矩陣的求和信號(hào)，并將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成光電流信號(hào)。
[0041]跨阻放大器陣列，其包括2M個(gè)跨阻放大器，用于將探測(cè)器輸出的光電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號(hào)。
[0042]模數(shù)轉(zhuǎn)換器陣列，其包括2M個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器，用于將跨阻放大器輸出的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。最后，將數(shù)字信號(hào)相加，得到所述向量A和矩陣B的乘積C的向量元素。
[0043]圖1所示的光學(xué)矩陣處理器構(gòu)架是采用了 2個(gè)探測(cè)器來(lái)接收MXN矩陣的行向量和NX I輸入向量的點(diǎn)積結(jié)果，運(yùn)算過(guò)程可以由下式表示:
【權(quán)利要求】
1.一種提高硅基光學(xué)矩陣處理器數(shù)據(jù)分辨率的方法，其包括: 激光器陣列輸出N路激光信號(hào)，每路激光信號(hào)具有不同波長(zhǎng)； 微環(huán)調(diào)制器陣列形成調(diào)制深度為MXN矩陣B的調(diào)制器矩陣； 光調(diào)制器陣列接收激光器陣列輸出的激光信號(hào)，并進(jìn)行調(diào)制后形成NX I向量A ;通過(guò)將向量A劃分成k個(gè)子向量，將矩陣B劃分成k個(gè)子矩陣，分別進(jìn)行光調(diào)制，進(jìn)而得到k個(gè)子向量和k個(gè)子矩陣的乘積； k個(gè)探測(cè)器線(xiàn)陣分別探測(cè)得到k個(gè)子向量與k個(gè)子矩陣的乘積，并進(jìn)而得到向量A和矩陣B的乘積，其中，M、N和k為大于I的自然數(shù)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述k根據(jù)探測(cè)單元的分辨率取最小值。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中，將向量A均勻劃分成所述k個(gè)(N/ k)Xl子向量，將矩陣B均勻劃分成所述k個(gè)MX (N / k)的子矩陣，N能夠被k整除。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其中，將所述k個(gè)子向量和k個(gè)子矩陣中的每一個(gè)子向量和子矩陣根據(jù)元素值的位寬，按位劃分成多個(gè)位向量和位矩陣，每個(gè)位向量和位矩陣元素為原子向量和原子矩陣中元素對(duì)應(yīng)位的值。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，k為向量A和矩陣B中元素的位寬。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中，所述k個(gè)子向量為NXl向量，每個(gè)子向量中元素值為向量A中對(duì)應(yīng)元素的相應(yīng)位值,所述k個(gè)子矩陣為MXN向量,每個(gè)子矩陣中元素值為矩陣B中對(duì)應(yīng)元素的相應(yīng)位值。
7.一種光學(xué)矩陣處理器，其包括: 激光器陣列，其產(chǎn)生N個(gè)不同波長(zhǎng)的激光信號(hào)； 調(diào)制器陣列，其對(duì)所述激光器陣列發(fā)出的N個(gè)不同波長(zhǎng)的激光信號(hào)進(jìn)行功率調(diào)制，每個(gè)激光信號(hào)的調(diào)制功率構(gòu)成NXl向量A的元素； 波分復(fù)用器，其用于將所述調(diào)制器陣列輸出的N個(gè)光調(diào)制信號(hào)復(fù)用形成一條波分復(fù)用信號(hào); 光分束器，其用于將所述波分復(fù)用信號(hào)等功率均分成kM份； 微環(huán)調(diào)制器矩陣，其包括kM條輸入波導(dǎo)、MXN個(gè)微環(huán)諧振器R、kM條下載波導(dǎo)，所述kM條輸入波導(dǎo)分別接收所述kM份波分復(fù)用信號(hào)，每條輸入波導(dǎo)掛接N / k個(gè)微環(huán)諧振器；每個(gè)微環(huán)諧振器選擇與其對(duì)應(yīng)的輸入波導(dǎo)上的波分復(fù)用信號(hào)中相應(yīng)波長(zhǎng)的信號(hào)進(jìn)行調(diào)制并下載，所述MX N微環(huán)諧振器的調(diào)制深度構(gòu)成MXN矩陣B ; 探測(cè)器陣列，其包括k個(gè)MX I探測(cè)器線(xiàn)陣，用于探測(cè)每條下載波導(dǎo)中微環(huán)諧振器輸出的調(diào)制光信號(hào)，并將探測(cè)到的調(diào)制光信號(hào)轉(zhuǎn)換成光電流信號(hào)后輸出； 跨阻放大器陣列，其包括kM個(gè)跨阻放大器，用于將探測(cè)器輸出的光電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號(hào)； 模數(shù)轉(zhuǎn)換器陣列，其包括kM個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器，用于將跨阻放大器輸出的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，最后，將數(shù)字信號(hào)相加，得到所述向量A和矩陣B的乘積C的向量元素。
【文檔編號(hào)】G06F17/16GK103678258SQ201310727321
【公開(kāi)日】2014年3月26日 申請(qǐng)日期:2013年12月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月25日
【發(fā)明者】周平, 盧洋洋, 楊林 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所