光学向量矩阵乘法器的进展

经过对目前国际上研究前沿的光计算技术中处于核心地位的光学向量矩阵乘法器(OVMM)进行深入的调研,本文主要介绍了某些类型的光学向量-矩阵乘法器的结构和原理,以及国内外最新的研究进展和应用前景。并根据国内外同行在此领域已经获得的研究成果,经过综合分析,拟提出对将来光计算技术的进一步发展具建设性意义的看法。

基于矩阵乘法器的MP3解码优化设计

介绍了MP3解码器的工作原理,分析了各个解码环节的计算量和消耗时间。将MP3解码过程中耗时最多的子带综合滤波环节使用矩阵乘法器单元做了优化和改进,提出一种可大幅度提高MP3实时解码效率的软硬件协同设计方法,并在SoC仿真平台上得到实时验证,达到了较好的优化效果。由于SoC的设计方法比较灵活,可以根据实际需要设计硬件模块,所以该设计具有方便、灵活和可靠性高等特点,是工程实用价值较高的解码器。

光学向量-矩阵乘法器教学演示实验

为了在光计算教学中提供让学生更易于形象理解光的并行计算能力和实现方式的教学环境,基于向量-矩阵乘法的基本原理,采用LED阵列、光敏管阵列、柱面透镜、薄透镜等简易的基础光学元件搭建了4×4的光学向量-矩阵乘法器教学演示实验.该演示实验展示了并行光计算系统的基本功能实现和构成要素,有助于学生对光计算有初步的形象认识和了解,认知本课程的目的和意义,有利于激发学生对课程学习的兴趣.

一种基于闪存的温度补偿型向量矩阵乘法器

基于XMC 65 nm浮栅工艺,设计了一种基于闪存的存算一体向量矩阵乘法器。进行模拟计算的闪存单元工作在线性区,采用两个闪存单元以差分的方式存储一个权重,提高了计算线性度,减小了权重的温度系数分布。设计了电流减法与缓冲电路,精确得到了乘累加的计算结果,并通过负阻并联型闪存负载实现了良好的温度补偿。模拟计算的精度为4位。仿真结果表明,各权重的计算结果为:在-40℃~85℃范围内,温度系数小于0.1%/℃;在85℃~130℃范围内,温度系数小于0.25%/℃。

用于光学向量矩阵乘法器的光源阵列系统

对用于光学向量矩阵乘法器的16路阵列光源和驱动电路进行了系统的研究。提出了采用商用分布式反馈激光器(DFB)和16路光纤阵列耦合的方式构造阵列光源模块,并且在驱动电路中设计了功率反馈自校正调节算法,解决了由于当前激光器制造工艺条件的限制而造成的各路激光器之间的阈值电流和P-I转换效率等参数差异问题。实现了光源系统各个通道间的输入向量数据和输出光强之间的一致性映射。实验结果证明,所研究开发的光源阵列不仅成本低,而且数据源信号的高频响应性能良好,保证了光学向量矩阵乘法器运算性能的稳定性和准确性。

基于FPGA的矩阵尺寸自适应的双精度浮点数矩阵乘法器

设计了一种基于FPGA的矩阵尺寸自适应的高速双精度浮点数矩阵乘法器。采用了基于Xilinx ISE中双口RAM及浮点数运算IP核,对矩阵元素进行缓存后,在运算的过程中根据矩阵的尺寸进行自适应处理,可支持矩阵尺寸最大32x32的矩阵乘法;同时通过流水线处理,弱化浮点数运算核自身延迟对设计带来的延迟效应。该设计通过基于TEXTIO的仿真对MATLAB产生的数据进行了运算及检验,验证了设计的功能与性能。

数字微镜器件在光学矢量矩阵乘法器中的特性及应用分析

为了分析数字微镜器件在矢量矩阵乘法器中作为空间光调制器的可行性,根据数字微镜器件(DMD)以及光学矢量矩阵乘法器的基本结构原理,设计了应用2块DMD的光学矢量矩阵乘法器,此系统中由两片数字微镜器件分别完成光学矢量和矩阵的输入。从理论分析及实验两方面对DMD的光学特性表现以及它对乘法器的计算性能影响进行了研究,得到的结果与预期相符合。实验结果表明通过矩阵编码、选择级次等方法可有效降低干涉衍射对矢量矩阵乘法器影响。这对光学矢量矩阵乘法器的结构优化设计、编码规则研究具有一定的参考价值,有利于促进光学乘法器的关键应用技术研究,对光学矢量矩阵乘法器的设计具有一定的指导意义。

准单色光在光学矢量-矩阵乘法器中的传播与光场分布

研究了光学矢量-矩阵乘法器中光波面的调制特性,从柯林斯公式出发,分析了准单色光在乘法器的空间光调制器平面上的光场分布.结果表明,只使用单个光束会引起空间光调制器上单像素可探测的能量较小,容易出现误差,且焦距比较短,工艺设计困难;采用多光束并束不但可以改善均匀性,使得每个像素可探测的能量显著增加,而且可放宽对所需的焦距限制,从而可降低工艺设计的难度.

基于半导体光放大器的光学向量矩阵乘法器的实现方法

提出了一种基于半导体光放大器(SOA)的光学向量矩阵乘法器(OVMM)的实现方法。与传统的向量矩阵乘法器相比,本文方法采用的是非空间光的实现方案,且SOA的增益补偿作用可对计算所得的光功率进行校正,从而提高计算精度。对提出的方法进行了1×2向量与2×2矩阵乘法运算的实验验证,结果表明可以实现向量矩阵乘法器的运算功能。利用SOA的大范围增益可调特性,可有效提高信号动态范围,利于多路信号间均匀性的改善,且易于集成。

基于光学向量矩阵乘法器的光学信息处理系统研究

光学向量-矩阵乘法器(OVMM)作为一种利用光学方式进行向量-矩阵运算(VMM)的光学系统,由于采用天然具有高带宽、高并行性的光学处理方式,在海量数据处理领域极具潜力。本文实现了一套基于空间OVMM的光电混合数字信号处理系统,采用自主设计实现的维度为16×16的空间OVMM作为核心运算单元。实验结果显示,系统能够完成76.8G/s乘法累加(MAC)运算,满足实时数据处理对运算速度的需求。系统使用可编程逻辑器件(FPGA)作为电学协处理单元的核心组成部分,因此具有可编程性,可以满足多种不同的应用需求。

光学并行矩阵乘法器的实验研究

本文介绍全并行矩阵乘法的实验研究过程和结果,运算充分利用光的并行性,做一次三个矩阵乘法或二维变换只要一个系统时钟周期。文中讨论了误差的来源和误差的消除方法,给出了两个和三个(正实数)矩阵乘法的实验结果(模拟运算),两个矩阵相乘的精度为1.2％,三个矩阵相乘的精度为1.23％。

一种新型结构的带状矩阵乘法器

在科学研究和实时信号处理中,需要进行大量的带状矩阵乘法运算.在分析经典二维,串行心动结构矩阵乘法器的基础上,提出了基于三维的、串并行数据传输的新型结构.改进后的矩阵乘法器具有高度的并行性和流水线的特点,均衡阵列负载,提高运算速度和优化资源的利用率.

一套二进制向量-矩阵乘法运算的光计算系统

对计算机前沿领域的光计算进行了讨论研究,介绍了光计算的核心运算器——光学向量-矩阵乘法器的工作原理,从实验角度出发,设计出了一套性能稳定的可实现二进制向量-矩阵乘法运算的光计算系统,并分析了此套系统的光学原理和性能特点。此系统具有矩阵乘法运算、数码显示、电压输出等功能,是一套实用性很强的教学科研演示产品,对光学乘法器以及光计算的研究具有一定的指导意义。

利用参数稀疏性的卷积神经网络计算优化及其FPGA加速器设计

针对卷积神经网络(CNN)在嵌入式端的应用受实时性限制的问题,以及CNN卷积计算中存在较大程度的稀疏性的特性,该文提出一种基于FPGA的CNN加速器实现方法来提高计算速度。首先,挖掘出CNN卷积计算的稀疏性特点;其次,为了用好参数稀疏性,把CNN卷积计算转换为矩阵相乘;最后,提出基于FPGA的并行矩阵乘法器的实现方案。在Virtex-7 VC707 FPGA上的仿真结果表明,相比于传统的CNN加速器,该设计缩短了19%的计算时间。通过稀疏性来简化CNN计算过程的方式,不仅能在FPGA实现,也能迁移到其他嵌入式端。

二维DCT图像处理器的低功耗实现

本文提出了一种基于矩阵向量乘法器的低功耗二维DCT结构,该结构通过最大限度地共享矩阵向量乘法中的乘积因子降低二维DCT中的乘法计算量,实现低功耗计算。此外,该二维DCT设计支持对矩阵向量乘法器的计算精度控制,从而实现对二维DCT处理器的低功耗调整。FPGA硬件平台的实际验证结果表明,与传统的基于移位累加乘法器的二维DCT设计相比,本设计可以节省35%以上的功耗。

基于FPGA的色彩空间双向转换电路设计

RGB和YUV色彩空间的转换电路广泛应用于视频、图像的压缩和传输中。为减小RGB和YUV色彩空间转换电路的芯片面积,通过采用可编程逻辑器件中嵌入的PLL(Phase Locked Loop)和流水线算法,复用矩阵乘法器结构,只需单一模块电路便可以实现RGB和YUV色彩空间的双向转换。结果表明电路设计只需3个乘法器和3个加法器,最大工作频率达到105.89 MHz。因此,该设计在满足高清数据传输的情况下,大幅节省了芯片面积。

基于FPGA的电磁瞬态仿真器研究

为了提高配电网故障电磁瞬态特性的实时仿真效率,避免复杂的现场可编程门阵列(field-programmable gatearray,FPGA)编程,本文研究了一种基于FPGA的自动实时电磁瞬态仿真器。首先通过综合改进的增广节点分析(modified augmented nodal analysis, MANA)方法和固定的导纳矩阵节点方法(fixed admittance matrix nodal method,FAMNM)构建了求解器;然后基于开关电导参数的最优选择,建立了高效的稀疏矩阵-向量乘法器;最后通过对三相配电网络中的单相接地故障后电磁瞬态特性进行测试,验证了仿真器的性能。实验结果表明:MANA-FAMNM的特殊结构可以实现极低的积分时间步长,并且避免了仿真器重新设计FPGA代码,该应用程序可直接用于不同的拓扑结构;仿真器能够实时精确地再现配电网故障中发生的电磁瞬态特性以及在传输线中传播的电磁波,FPGA-RTS仿真与软件EMTP-RV离线仿真的C相相电压值的最大误差约为0.006pu,完全满足工程应用的要求。该仿真器可以推广到工业实时嵌入系统中。

Digital Acousto-optic Matrix Computer

Acousto-optic system for performing basic operations of vector-matrix multiplication with digital(16-bit)accuracy are described.The system comprised of two multi-transducer Bragg cells that can perform at least 1×10 8 operation/s of basic vector-matrix multiplication with digital (16-bit ) accuracy and which is simple and compact.