光处理器目前的研究和可能会遇到的问题.doc

2003年10月，以色列Lenslet公司研发的Enlight在美国波士顿军事通信展览会上露面，引起了业界莫大的关注。 图1.1 光处理器结构 光处理器中一个重要的单元是向量矩阵乘法器，文献中都对该乘法器做了重点介绍，图1.1虚线框内所示的光系统即为向量矩阵光处理器。它通过发射激光，经过布拉格单元产生N条光强相等的光线，再经过光孔阵列模板，利用光探测器出检测出结果向量。光孔阵列模板代表向量矩阵乘法中的矩阵，光强表示向量的值，阵列模板每个孔的光透系数不同，其系数大小表示了矩阵各元素值。经过布拉格单元产生的N条光束通过同一列阵列模板，相当于与矩阵列的每个元素相乘，再将阵列行对应的光束汇集到一起相当于相加，从而得到一个向量结果，也就完成了我们熟悉的向量矩阵乘法。这种向量矩阵乘法器如图1.2所示。 图1.2 向量矩阵乘法器原理图 但是光学向量矩阵乘法器存在几个问题，1、入射激光发射器的选择比较讲究，VCSEL（垂直枪面发射体激光器）在目前被认为是理想的[2]；2、透镜制作成本很大，不利于产业化；3、由于光的特性，各单元之间的距离很重要；4、如何控制光孔阵列模板来表示矩阵；5、整体单元势必很大，不利于集成化，2003年发表的光处理器的体积就比较大。 有关集成问题早已有人提出平面集成自由空间光系统[]，该技术与电子VLSI技术兼容。基于平面集成的自由空间光系统被折叠在一个透明的衬底中，以至于所有功能元件如透镜、衍射栅都能置于表面。如图1.3所示。即使在半导体工业，自由空间的光学技术在今天也被看成一个主要的选择来解决VLSI持续恶化的问题（互联技术没有跟上通信体积的增长）。 图1.3 平面集成自由空间光乘法器 1996年，Opticomp公司的Peter S. Guilfoyle提出了高速低功耗数字光处理器[]，该处理器相比电子处理器具有更低的开关功耗，两个系统（第二代数字光计算机和高性能光电计算机）在该文章中作了介绍。第二代数字光计算机（DOCⅡ）所用的向量矩阵乘法器如前所述。高性能光电计算机(HPOC)所用的向量矩阵乘法器类似前述，但有不同，如图1.4所示。不同之处在于输入向量变为输入矩阵。本文叙述了光处理器优于电子处理器的另一个优点是光处理器的扇出与扇入没有限制，是并行计算与处理的理想选择。 图1.4 HPOC中的向量矩阵乘法器 2、光缓冲器和光逻辑系统 光信号取代电信号作为计算机中信息传输的媒介将为未来计算机系统带来重大的改变，为了有效的光互连，防止信息阻塞的光缓冲器是必需的。2007年IBM的Thomas J在Nature photonics上发表了一篇有关硅片上的光缓冲器的文章[]，该缓冲器基于波导延时线，应用了SOI亚微米光子线波导，其片上群延时被证明超过了500ps，使得储存和延迟光子 图1.5 除了以上方法设计光逻辑门，还有用光图像来表示光逻辑门的思想[]，该思想是这样的：逻辑1和逻辑0用网格图形来表示，首先输入图像A与输入图像B根据编码规则编码成相应的逻辑图像，经过一些操作与处理输出逻辑图像，这样就完成了逻辑门。表中表示了A与B的网格逻辑图。 3、opto-VLSI processor 二、目前著名大学有关光集成电路的研究 可能是我还没找到，国外著名大学有关光处理器的研究课题还没有。在光集成电路方面的主要是光互连、光器件、激光发射器的研究。 例如，Berkeley大学有关光集成电路的课题是关于processor-to-DRAM之间的光互连。MIT最近在processor-to-DRAM之间的光互连发表了相关论文。Stanford大学有挺多的教授在研究光器件，UIUC 而在我国，有关光处理器的研究几乎没有，只有西北工业大学在做这方面的研究。 三、会遇到的困难 光处理器是现在的研究前沿，虽然在国外大学网站上没有见到对光处理器的相关研究，但是其内部一定会在研究光处理器，而且基于MOS器件的集成电路将就此止步，所以研究光处理器具有重大意义，并且也具有很大的挑战，同时也将会遇到不少困难。 研究光处理器必须得研究光集成，而光路集成要依靠光器件，就像双极器件、MOS器件的出现才使得集成电路成为了可能，所以光器件是光集成的研究基础，很多著名大学也都在这些方面做研究。 光处理器的研究要依靠相应软件的辅助，而在这方面很缺乏，不过也有相应的辅助软件，如文献中提到的OALL[]、加拿大一个公司开发的光集成设计软件。还有其他实验设备也是必需的，不过需要什么实验设备也只有在以后的研究中才会知道。 关于光处理器的研究也很早，但是相关文献不多，很多都要靠自己去摸索，去寻找入手点、去实验。 此外研究光处理器还会涉及多个领域，如光信号探测问题、模拟、数字、光物理、器件原理、材料、量子效应。 对于光信号的探测需要涉及模拟部分，还有