Глава 8. АРХИТЕКТУРЫ КЛЕТОЧНОЙ ЛОГИКИ
Т. Ятагаи, Институт прикладной физики,
Университет г. Цукубэ, Цукубэ, И бараки, Япония
8.1. Введение
Возрастание требований, предъявляемых к скорости обработки больших объемов данных, указывает на необходимость создания компьютеров с параллельной обработкой данных, для которых характерно высокое быстродействие [1, 2]. Для достижения высокой степени параллельности вычислительных систем могут быть использованы методики оптических вычислений. За последнее десятилетие было предпринято много попыток разработать параллельные оптические процессоры [3, 4]. Авторы [5] усовершенствовали схему компьютера Зи (Tse), продемонстрировав практическую значимость и ряд преимуществ оптической параллельной обработки. В качестве устройств параллельной логики использовали оптическую пороговую матрицу [6] и микроканальный усилитель изображений [7]. Многими авторами описывались жидкокристаллические клапанные устройства для модуляции света, в частности устройство Hughes LC использовалось для выполнения различных оптических логических операций и параллельного порогового кодирования [8, 11].
Требуется отчетливо выделить значение различных архитектурных подходов применительно к параллельным оптическим компьютерам, и ряд авторов уже рассматривали этот вопрос с различных точек зрения. В работах [12, 13] описан оптический последовательный процессор, созданный на основе оптических межэлементных соединений, предельные возможности которого обсуждались с позиций анализа числа оптических вентилей. В работах [14, 15] было предложено использовать теневую методику для осуществления оптической цифровой логики, в частности обсуждалось ее применение в оптической системе параллельной логики (OPALS). Авторы [16] применили жидкокристаллический ПМС в оптических триггерах и схемах последовательной логики, а также рассмотрели их применение в архитектуре клеточной логики.
В данной главе дается описание уникальной по своим возможностям и единственной в своем роде архитектуры оптических компьютеров, а именно архитектуры клеточной логики [17,18].
Можно проследить историю развития клеточной логики до качала 60-х гг. Для реализации обладающих высоким параллелизмом систем обработки предлагалось большое количество видов клеточных матричных структур процессорных элементов. Иногда клеточная логика рассматривалась в связи с теорией нейронных сетей. В настоящее время представляется многообещающим изготовление клеточных матриц на основе технологии СБИС. В свою очередь оптическая параллельная логика подает еще большие надежды потому, что с помощью оптики можно очень просто реализовать пространственное размещение элементов процессора и выполнить соединения между матрицами процессорных элементов. Архитектура клеточной логики в полной мере способствует проявлению таких преимуществ оптических операций, как высокая степень параллелизма. Класс архитектур клеточной логики позволяет эффективно осуществлять функции контроля и управления оптическими параллельными компьютерами. Особой чертой архитектуры клеточной логики является то, что ее математические структуры доступны для понимания во многих случаях. Это — теория клеточной логики, называемая клеточными автоматами. Архитектура клеточной логики и теория клеточных автоматов могут играть важную роль в развитии оптических компьютеров. Главное внимание здесь уделяется подходам, основанным на клеточной логике и рассматриваемых применительно к конструированию оптического компьютера. Особый интерес представляют характеристики и возможности архитектуры клеточной логики и их реализация в виде оптических устройств.
В разд. 8.2 представлен краткий обзор архитектур клеточной логики применительно к разработке компьютера, к чему позднее придется вернуться при описании конкретных разработок. Представлены некоторые клеточные автоматы, а также описаны их наиболее значительные характеристики и результаты. Рассмотрены перестраиваемые архитектуры усовершенствованных клеточных логических компьютеров. Обсуждается классификация методов обработки данных, указано значение МКМД-архитектуры для организации потоков логических данных и команд в клеточных логических компьютерах общего назначения.
В разд. 8.3 даны некоторые основные понятия логики и методы двоичной обработки данных применительно к архитектурам клеточной логики. Затронуты оптические методики реализации МКМД-логики. Показано, что оптическая МКМД-логика позволяет достичь особой гибкости архитектуры оптического компьютера. Наконец, в разд. 8.4 представлены способы реализации архитектуры клеточной логики в оптических устройствах.
