阅读说明：本技术 一种高效并行的宽频谱光子计算系统及计算方法 (Efficient parallel wide-spectrum photon computing system and computing method ) 是由 张在琛 王海卜 吴亮 党建 朱秉诚 于 2019-11-12 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种高效并行的宽频谱光子计算系统及计算方法。该方法为：光输入单元并行输入多个波段的光信号,不同波段光信号振幅正比于矩阵A行向量元素,并传送至宽频谱光振幅调制单元；宽频谱光振幅调制单元调整输入光信号振幅大小,对不同波段的光信号振幅乘上不同的系数,系数正比于矩阵B列向量元素,输出光信号传递至宽频谱光接收单元；宽频谱光接收单元将多波段光信号振幅叠加并量化输出。通过同步单元设置时钟控制光输入单元光信号振幅的变化周期、宽频谱光振幅调制单元的调制周期和宽频谱光接收单元的采样周期,使宽频谱光接收单元依次输出矩阵A、B相乘后的结果矩阵元素。该方法充分利用了光的宽频谱特性,是高效处理超大规模矩阵的方案之一。(The invention discloses an efficient parallel wide-spectrum photon computing system and a computing method. The method comprises the following steps: the optical input unit inputs optical signals of a plurality of wave bands in parallel, the amplitudes of the optical signals of different wave bands are in direct proportion to the row vector elements of the matrix A and are transmitted to the broadband spectrum optical amplitude modulation unit; the broadband spectrum light amplitude modulation unit adjusts the amplitude of the input light signal, multiplies the light signal amplitudes of different wave bands by different coefficients, the coefficients are in direct proportion to the column vector elements of the matrix B, and the output light signal is transmitted to the broadband spectrum light receiving unit; the broadband spectrum light receiving unit superposes and quantifies and outputs the multi-band light signal amplitude. The change period of the optical signal amplitude of the clock control optical input unit, the modulation period of the broadband spectrum optical amplitude modulation unit and the sampling period of the broadband spectrum optical receiving unit are set through the synchronization unit, so that the broadband spectrum optical receiving unit sequentially outputs the result matrix elements multiplied by the matrix A, B. The method fully utilizes the wide spectrum characteristic of light, and is one of the schemes for efficiently processing the ultra-large-scale matrix.)

一种高效并行的宽频谱光子计算系统及计算方法

技术领域

本发明属于光子计算技术领域，涉及空间光调制和全光信息处理，具体涉及一种高效并行的宽频谱光子计算系统及计算方法。

背景技术

传统的矩阵运算需要计算机对计算数据的中间量进行多次存储和读取，随着矩阵规模的扩大，计算时间也成倍增长，人们开始寻求一种可以高效实现大规模矩阵运算的运算方法。光子计算结构具有高速、并行、无源等特性，在处理线性计算上有突出的优势，成为当前国际研究的一个热点。人们采用光波导微纳结构、微透镜阵列、数字化光调制器等新型光学材料搭建光子计算芯片，应用到不同场景中。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提出一种高效并行的宽频谱光子计算系统及计算方法，该方法用于实现高速、并行的大规模矩阵运算，包括矩阵乘法、求逆等，以满足移动通信、人工智能、大数据计算等场景中矩阵高速运算的需求，同时充分利用了光的宽频谱特性，是高效处理超大规模矩阵的方案之一。

技术方案：

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种高效并行的宽频谱光子计算系统，包括光输入单元、宽频谱光振幅调制单元、宽频谱光接收单元；所述光输入单元用于并行输入多个波段的光信号，不同波段光信号振幅正比于矩阵A行向量元素，并传送至宽频谱光振幅调制单元；所述宽频谱光振幅调制单元用于调整输入光信号振幅大小，对不同波段的光信号振幅乘上不同的系数，系数正比于矩阵B列向量元素，输出光信号传递至宽频谱光接收单元；所述宽频谱光接收单元用于将多波段光信号振幅叠加并量化输出。

所述的高效并行的宽频谱光子计算系统，还包括同步单元，所述同步单元用于设置时钟控制光输入单元光信号振幅的变化周期、宽频谱光振幅调制单元的调制周期和宽频谱光接收单元的采样周期，使宽频谱光接收单元依次输出矩阵A、B相乘后的结果矩阵元素。

用上述高效并行的宽频谱光子计算系统进行宽频谱光子计算的方法，该方法为：

光输入单元并行输入多个波段的光信号，不同波段光信号振幅正比于矩阵A行向量元素，并传送至宽频谱光振幅调制单元；

宽频谱光振幅调制单元调整输入光信号振幅大小，对不同波段的光信号振幅乘上不同的系数，系数正比于矩阵B列向量元素，输出光信号传递至宽频谱光接收单元；

宽频谱光接收单元将多波段光信号振幅叠加并量化输出。

所述的高效并行的宽频谱光子计算方法，还包括通过同步单元设置时钟控制光输入单元光信号振幅的变化周期、宽频谱光振幅调制单元的调制周期和宽频谱光接收单元的采样周期，使宽频谱光接收单元依次输出矩阵A、B相乘后的结果矩阵元素。

有益效果：本发明与现有技术相比，具备如下优点：

1、系统充分利用光的宽频谱特性，可输入超大规模的矩阵，进行大规模矩阵运算。

2、在运算过程中，数据信号不需要存取，运算速度只与光振幅调制单元、光接收单元的响应时间有关，大大提高了运算速率。

3、该方法采用全光信号，能耗低，可以嵌入全光信息网络、移动光通信等系统中。

4、整个系统的复杂度较低，光振幅调制单元可用现有的马赫增德尔调制器、空间光调制器等技术来实现，成本较低。

附图说明

图1为宽频谱光子计算方法的结构框图；

图2为同步单元方案一的时钟信号；

图3为同步单元方案二的时钟信号；

图4为并行输入并行输出的宽频谱光子计算方法的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

本发明公开了一种高效并行的宽频谱光子计算系统及方法，该系统包括光输入单元、宽频谱光振幅调制单元、宽频谱光接收单元和同步单元。光输入单元并行输入多个波段的光信号，不同波段光信号振幅正比于矩阵A行向量元素，并传送至宽频谱光振幅调制单元。宽频谱光振幅调制单元调整输入光信号振幅大小，对不同波段的光信号振幅乘上不同的系数，系数正比于矩阵B列向量元素，输出光信号传递至宽频谱光接收单元。宽频谱光接收单元将多波段光信号振幅叠加并量化输出。同步单元设置时钟控制光输入单元光信号振幅的变化周期、宽频谱光振幅调制单元的调制周期和宽频谱光接收单元的采样周期，使宽频谱光接收单元依次输出矩阵A、B相乘后的结果矩阵元素。

如图1所示，该方法包括光输入单元、宽频谱光振幅调制单元、宽频谱光接收单元和同步单元。其中光输入单元与宽频谱光振幅调制单元和同步单元相连，根据来自同步单元的时钟信号，输入多路不同振幅不同波段的光信号至宽频谱光振幅调制单元。宽频谱光振幅调制单元与光输入单元、宽频谱光接收单元和同步单元相连，根据来自同步单元的时钟信号，对来自光输入单元的不同波段光信号振幅乘上不同的系数，并输出至宽频谱光接收单元。宽频谱光接收单元与宽频谱光振幅调制单元和同步单元相连，根据来自同步单元的时钟信号，采集来自并宽频谱光振幅调制单元的多波段光信号振幅，将其叠加并量化输出，得到矩阵运算的结果。

以下是宽频谱光子计算结构的原理阐述：

设该结构用于实现矩阵A和矩阵B的乘法，结果矩阵为矩阵C,即

方案一：设在0到T时刻，光输入单元输入的宽频谱光信号中m个波段振幅分别对应a₁₁,a₁₂,…,a_1m。在宽频谱光振幅调制单元中，对这m个波段的光振幅依次乘上b₁₁,b₂₁,…,b_m1，输出至宽频谱光接收单元。该接收单元只检测该宽频谱光信号的光强，即将m个波段光信号振幅叠加输出，可得a₁₁b₁₁+a₁₂b₂₁+…a_1mb_m1，即矩阵C的元素c₁₁。在0到T的时间段内，以

为周期，宽频谱光振幅调制单元改变振幅乘法系数，分别对应于矩阵B的k个列向量，宽频谱光接收机以

为周期检测输出光信号强度。因此，经过T时间段后，输出结果为矩阵C的第一行的行向量。

同理，在(p-1)T到pT的时间段，光输入单元输入m个波段，振幅正比于a_p1,a_p2,…,a_pm的光信号，宽频谱光振幅调制器的乘法系数变化同上。在经过nT的时间后，接收机可得到矩阵C的所有元素。

因此，该方案下的时钟信号如图2所示，光输入单元的时钟周期为宽频谱光振幅调制单元和光接收单元的k倍，考虑到光振幅调制单元与光接收单元间存在延迟，时钟信号也设置了一定的延迟。

方案二：以

为周期，光输入单元改变输入光信号的m个波段振幅，对应矩阵A的n个行向量。宽频谱光振幅调制单元的变化周期为T，在一个周期内对n个多波段的光振幅乘上矩阵B的某一列向量。宽频谱光接收机以

为周期检测输出光信号强度。因此，经过T时间段后，输出结果为矩阵C的列向量。在经过kT的时间后，接收机可得到矩阵C的所有元素。

该方案下的时钟信号如图3所示，宽频谱光振幅调制单元的时钟周期为光输入单元和光接收单元的n倍，考虑到光输入单元与光接收单元间存在延迟，时钟信号也设置了一定的延迟。

如图4所示，是一种并行输入并行输出的宽频谱光子计算方法，该方法由一个光输入单元，k个宽频谱光振幅调制单元和n个窄频谱光接收单元组成。光输入单元与k个宽频谱光振幅调制单元相连，输入n·m个波段的光信号(对应矩阵A的所有元素)至k个宽频谱光振幅调制单元。每个宽频谱光振幅调制单元均与光输入单元和n个窄频谱光接收单元相连，对来自光输入单元的光信号，不同波段以m为周期乘上不同的系数，例如宽频谱光振幅调制单元1，在第1至第m个波段，光振幅分别乘上b₁₁,b₂₁,…,b_m1，第m+1至第2m个波段，光振幅分别乘上b₁₁,b₂₁,…,b_m1，以此类推，调制后将信号输出至n个n个窄频谱光接收单元。为防止多个宽频谱光振幅调制单元的结果发生混杂，宽频谱光振幅调制单元依次将调制结果发送至n个窄频谱光接收单元，中间可设置一定的时间间隔。每个窄频谱光接收单元均与k个宽频谱光振幅调制单元相连，接收来自某一个宽频谱光振幅调制单元的光信号后，采集其对应波段的光信号振幅，叠加并量化输出。每个窄频谱光接收单元对应光输入单元输入光信号的m个波段，例如窄频谱光接收单元1对应光输入单元a₁₁,a₁₂,…,a_1m前m个波段，以此类推。因此，n个窄频谱光接收单元的输出对应结果矩阵C的列向量，k个时间间隔后，可得到矩阵C的所有元素。