Спосіб цифрового акустооптичного перемноження матриць

Изобретение относится к области оптической вычислительной техники и может быть использовано при проектировании и реализации алгебраических оптических процессоров. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ акустооптического перемножения матрицы-строки на матрицу-столбец, заключающийся в том, что формируют поток световых волн посредством линейки источников света, модулируют амплитуду потока световых волн во времени и в пространстве, воздействуя на каждый элемент линейки источников света последовательностью бинарных электрических импульсов, каждый из которых соответствует своему двоичному разряду элемента перемножаемой матрицы-строки, при этом одновременно возбуждают поток акустических волн в кристалле многоканального акустооптического дефлектора, модулируют амплитуду потока акустических волн во времени и пространстве, воздействуя на каждый канал последовательностью бинарных электрических импульсов фиксированной частоты, амплитуда каждого из которых соответствует своему двоичному разряду элемента перемножаемой матрицы-столбца, направляют поток промодулированных световых волн на кристалл акустооптического дефлектора, фокусируют поток дифрагированных световых волн на столбец ПЗСфотоприемника, переносят электрический заряд, индуцированный потоком световых волн в ячейках ПЗС-фотоприемника, уровень накопленного выходного электрического заряда в каждой ячейке ПЗС-фотоприемника и определяет величину соответствующего двоичного разряда элемента произведения матриц. Вследствие использования фиксированной частоты при модулировании потока акустических волн в каждом канале акустооптического дефлектора происходит формирование только одного двоичного разряда результирующего произведения. По этой причине оказывается невозможным одновременное выполнение перемножения матрицы-столбца на матрицу, содержащую более одной строки, что препятствует повышению производительности способа. В основу изобретения положена задача создания способа цифрового акустооптического перемножения матриц, в котором использованием режима модуляции акустических волн по частоте в сочетании с методом дискретной свертки обеспечивается перемножение входной матрицыстроки сразу на несколько столбцов второй матрицы и за счет этого повышается производительность процессора с сохранением повышенной точности вычислений. Поставленная задача решается тем, что в заявляемом способе перемножения матриц, заключающемся в том, что формируют поток световых волн посредством линейки источников света, модулируют амплитуду потока световых волн во времени и в пространстве, воздействуя на каждый элемент линейки источников света последовательностью бинарных электрических импульсов, каждый из которых соответствует своему двоичному разряду элемента перемножаемой матрицы-строки, при этом одновременно возбуждают поток акустических волн в кристалле многоканального акустооптического дефлектора, модулируют амплитуду потока акустических волн во времени и в пространстве, воздействуя на каждый канал последовательностями бинарных электрических импульсов, амплитуда каждого из которых соответствует своему двоичному разряду элемента столбца перемножаемой матрицы, направляют поток промодулированных световых волн на кристалл акустооптического дефлектора, фокусируют поток дифрагированных световых волн на ПЗС-фотоприемник, переносят электрический заряд, индуцированный потоком световых волн в ячейках ПЗС-фотоприемника, уровень накопленного выходного электрического заряда в каждой ячейке ПЗС-фотоприемника определяет величину соответствующего двоичного разряда элемента произведения матриц, согласно изобретению, дополнительно модулируют акустические волны по частоте с одновременной их модуляцией во времени и в пространстве, воздействуя на каждый канал акустооптического дефлектора последовательностями электрических импульсов различных частот, каждая из которых соответствует своему столбцу перемножаемой матрицы, при этом фокусировку потока световых волн, дифрагированных в направлениях, задаваемых различными частотами акустических волн, производят на отдельные столбцы ПЗСфотоприемника. Поскольку заявляемый способ отличается от прототипа режимом модуляции акустических волн по частоте и при этом фокусировка потока световых волн, дифрагированных в направлениях, задаваемых различными частотами звуковых волн, происходит на отдельные столбцы ПЗСфотоприемника, причем каждой частоте соответствует свой столбец, он удовлетворяет критерию охраноспособности "новизна". Режим модуляции потока акустических волн по частоте воздействием на каждый канал многоканального пьезоэлектрического преобразователя последовательностями электрических импульсов различных частот, каждая из которых соответствует своему столбцу перемножаемой матрицы, дает возможность параллельно вводить в акустооптический перемножитель несколько столбцов перемножаемой матрицы, при этом фокусирование потока световых волн, дифрагированных в направлениях, задаваемых различными частотами акустических волн, на отдельные столбцы ПЗСфотоприемника - дает возможность параллельно накапливать несколько результирующих электрических зарядов, каждый из которых пропорционален величине произведения на свой столбец матрицы. При изучении технических решений в данной области техники признаки, отличающие заявляемое изобретение от прототипа, не были выявлены, в связи с этим заявляемый способ удовлетворяет критерию "изобретательский уровень", поскольку именно использование предложенного в данной заявке режима модуляции акустических волн по частоте обеспечивает проявление нового свойства способа перемножения при направлении потока промодулированных световых волн на заполненный акустическими волнами кристалл акустооптического дефлектора в каждой его ячейке происходит материальное действие, которому соответствует не одно, а несколько элементарных умножений одновременно. Это и позволяет достичь необходимый технический результат, а именно обеспечить выполнение перемножения входной матрицы-строки сразу на несколько столбцов второй матрицы, за счет этого повысить производительность акустооптического перемножения матриц с сохранением повышенной точности вычислений, что свидетельствует о решении поставленной задачи. На чертеже (фиг.) изображено устройство, реализующее заявляемый способ. Устройство установлено на одной оптической оси. Оно содержит источник бинарных электрических импульсов 1, линейку 2 источников света, цилиндрическую линзу 3, источник бинарных электрических импульсов 4, многоканальный акустооптический дефлектор, включающий в себя пьезоэлектрический преобразователь 5 и кристалл 6, цилиндрические линзы 7 - 8, ПЗС-фотоприемник 9. Оси линз 3 и 8 и направление распространения потока акустических волн расположены параллельно, а ось линзы 7 и столбец ПЗСфотоприемника 9 - перпендикулярно линейке 2. Перемножение матриц происходит следующим образом. Посредством включения источников света линейки 2 и цилиндрической линзы 3 формируют поток световых волн. При этом каждый источник света включают своей последовательностью бинарных электрических импульсов, которая соответствует определенному номеру элемента первой перемножаемой матрицы-строки. Геометрическое расположение источников света линейки 2 обеспечивает модуляцию потока световых волн в пространстве. Каждый электрический импульс последовательности соответствует своему двоичному разряду этого элемента. Порядок следования импульсов обеспечивает модуляцию потока световых волн во времени. Посредством многоканального пьезоэлектрического преобразователя 5 возбуждают в кристалле 6 акустооптического дефлектора поток акустических волн. На каждый канал многоканального пьезоэлектрического преобразователя 5 подают свою последовательность электрических импульсов различных частот, амплитуда каждого импульса последовательности соответствует своему двоичному разряду элемента столбца перемножаемой матрицы, а частота - номеру столбца. Номер канала соответствует номеру элемента в столбце второй перемножаемой матрицы, Каждый импульс последовательности соответствует своему двоичному разряду этого элемента. Раздельное распространение волн разных каналов в кристалле 6 обеспечивает модуляцию потока акустических волн в пространстве. Порядок следования импульсов обеспечивает модуляцию потока акустических волн во времени. Наличие в последовательности импульсов различной частоты совместно с преобразователем 5 обеспечивают модуляцию потока акустических волн по частоте. Заполняя кристалл 6, поток акустических волн создает в нем дифракционную решетку, на которой дифрагирует направляемый на нее поток световых волн. Акустические волны потока, соответствующие разным частотам импульсов, задают разные углы отклонения потоку дифрагированных световых волн. Посредством цилиндрических линз 7 - 8 фокусируют поток дифрагированных световых волн на отдельные столбцы ПЗС-фотоприемника 9, Дифрагированные световые волны, распространяющиеся в разных направлениях, фокусируются линзой 7 на разные столбцы ПЗСфотоприемника 9. Падающий на него поток световых волн вызывает индуцированные электрических заряды, которые в каждой ячейке складываются с уже имеющимися там в результате переноса вдоль столбца зарядами. Это обеспечивает накопление индуцированного потоком световых волн в ячейках ПЗСфотоприемника 8 электрического заряда. С выходного регистра ПЗС-фотоприемника снимают выходной электрический заряд, пропорциональный величине произведения перемноженных матриц в смешанном коде. Заявляемый способ можно реализовать с помощью устройства, в котором использованы следующие элементы. В качестве линейки источников света могут быть использованы лазеры ИЛПН-204 со световолоконными выходами, образующими световодную линейку с линейными размерами 25 ´ 4мм для 10 световодов. Информация об элементах матрицы множимого вводится в последовательном коде с частотой следования разрядов - 1МГц в линейку источников света. При использовании 32канального акустооптического модулятора, выполненного из плавленного кварца (центральная частота полоса пропускания 40МГц, линейными размерами 48мм ´ 90мм) информация о матрице множителе размерностью 10 ´ 10 и разрядностью 32 вводится в параллельном коде одновременно во все каналы за время равное 15мкс. В качестве фотоприемника используем ПЗСматрицу типа "Казбек" с тактовой частотой динамическим диапазоном >55дБ и временем переброса строк 12,8мкс. При этом производительность процессора, основанного на предлагаемом способе, составляет элементарных операций умножений-сложений в секунду, что в 10 раз превышает производительность прототипа.