[发明专利]三值光学计算机限制输入符号一步式MSD加法器

说明书

技术领域

本发明专利涉及一种用于一步完成MSD加法运算的加法器，具体涉及的是MSD加法原理与变换规则在三值光学计算机加法运算的简化相结合的方法和技术。

背景技术

加法是计算机中最基本的数值运算，其他数值运算都是通过加法运算和逻辑运算来完成。因此，加法运算的速度决定了计算机的数值计算速度。然而，在常规加法运算中，存在着进位值由低位向高位的传递过程，加法运算速度受到进位传播过程延时的限制。早在电子计算机问世之时，数学家和计算机科学家就开始努力解决加法器的进位延时问题，以提高运算效率。先行进位加法器解决了4位数相加时的进位延时问题，成为电子计算机沿用至今的基本加法器。然而，当数据位数增多时先行进位加法器的结构急剧复杂，导致电路延时明显增大，所以这种加法器仅适用于4或5位数据相加的情况，不适用于位数较多的加法器。在广泛使用的8位到64位电子计算机中，几乎都是采用几个位数较少的先行进位加法器串联工作的方案，即每一个小加法器完成4或5位的先行进位加法，而相邻小加法器顺序工作，以等待前一个小加法器的进位值生成。显然，当加法器的数据位数增多到数百上千位时，若仍采用多个小加法器串联的方案，则小加法器的数量必然很多，导致小加法器之间的进位延时严重加大，因此这个方案也不适用于位数众多的加法器。

最近的研究成果表明三值光学计算机可以具有成千上万的数据位数，这主要得益于现在的液晶面板可以具有几百甚至几千万的像素，而液晶像素可以用于三态光状态的改变，以及MSD加法所具有的无进位特性。因此，电子计算机中的加法器技术根本无法在三值光学计算机中使用，其主要的推广困难在于大数据运算的延迟问题。因此必须建立全新的巨位数光学加法器理论、技术和实现方案。1986年Drake等人就将MSD加法运算引入了光学计算领域。1994年，Hongxin Huan等人描述了冗余表示方法，通过代换得到一种一步式MSD加法的真值表，1996年李国强等人采用光学方法完成了任意字长操作数的两步式MSD加法，随后有学者研究了一步式并行负二进制数MSD算法，以及通过光学全息方式实现的加法器。

从2000年开始，金翊等人先后提出了进位直达并行通道加法器原理和结构，三值光学计算机的MSD加法器原理，前者的核心部件进位直达通道至今仍难以实现，后者则通过实验证明了其可行性，这个MSD加法器已经纳入到正在构建的三值光学计算机应用研究实验系统中。然而，这个MSD加法器虽然解决了进位延时问题，但需要三步逻辑运算才能完成一次加法，在技术实现上虽不存在问题，但结构较为复杂。随后，金翊等人又提出了流水计算方案， 使得三步逻辑运算造成的时耗在大量数据相加时可以忽略，但在少量数据相加时不能忽略。然而，少量数据运算的场景远远多于大量数据运算的场景，因此，建立与位数无关的一步式并行加法器仍十分必要。

为简化三值光学计算机三步式MSD加法器的结构、提高效率，对加法器的优化工作势在必行，继而开展了限制输入符号的一步式MSD加法器的研究和技术实现工作。

发明内容

本发明的目的在于提出一种三值光学计算机限制输入符号的一步式MSD加法器，它可以实现众位数的并行、一步式加法，光路不会随着位数的增加而变得复杂，节约资源，能有效地提高光学计算机在加法过程中的效率。

本发明要解决的是现有加法器由于位数众多产生的进位延迟问题，实现并行加法，以及简化现有MSD加法器的运算过程，通过一步计算出原先需要三步才能得到的最终结果，提高运算效率。

本发明解决技术问题的技术方案是：依托于新型计算机三值光学计算机，它利用了无光态和偏振方向相互正交的两个偏振光态表示信息，以液晶和偏振片构造光学处理器，具有众位数、可重构、全并行的特征。与传统电子计算机相比，用三值取代二值，信息更加丰富；用光路代替电路，利用光的空间巨并行性，实现宽数据位的并行计算，且能源消耗远远低于电子计算机的能耗，实现低功耗；利用可重构技术，能够任意生成19683种三值逻辑运算器。采用MSD数表示三值信息，利用MSD加法运算结果的规律性实现无进位加法，从中归纳出中位变换表，通过限制输入符号，简化中位变换表；利用中位变换表设计出中位变换器以及相应的变换器光路图；最后整合中位变换器设计出一步式加法器的整体结构以及相应的光路图。