СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ВЫПОЛНЕНИЯ РАСПРЕДЕЛЕННЫХ ВЫЧИСЛЕНИЙ В ОПТИЧЕСКОМ КАНАЛЕ
METHOD AND DEVICE FOR PERFORMING DISTRIBUTED COMPUTING IN OPTICAL CHANNEL

Изобретение относится к области вычислительной техники и может быть использовано для выполнения распределенных вычислений в беспроводном оптическом канале и канале, состоящем из одной волоконно-оптической линии.
Распределенные вычисления - центральное звено современной управляющей и вычислительной системы. Во многих алгоритмах требуется решать следующую задачу. Имеется группа вычислительных устройств (ВУ), соединенных последовательно оптическим каналом связи, по которому от одного ВУ к следующему передается сообщение, содержащее двоичное число. У каждого из ВУ также содержится по одному числу. Каждое ВУ, используя в качестве операнда хранящееся в ВУ число и получив от соседнего ВУ число, выполняет над этими числами любую двухместную логическую операцию, отрицание, нахождение max и min, арифметические сложение, вычитание и умножение. Эти операции не должны дополнительно задерживать в ВУ сообщение по сравнению со временем его простой передачи через ВУ. Задача заключается в создании способа и устройства для выполнения указанных быстрых распределенных вычислений в беспроводных оптических каналах и каналах, состоящих из одной волоконно-оптической линии.
Ранее решение было получено для электронных проводных связей, использующих для передачи двоичных сигналов (Прангишвили И.В., Подлазов B.C., Стецюра Г.Г. Локальные микропроцессорные вычислительные сети. М.: Наука, 1984.). Позднее результат был распространен на волоконно-оптические связи ВУ, также использующие две линии для передачи двоичных сигналов (Стецюра Г.Г. Интерферометр Маха-Цандера как средство выполнения быстрых распределенных вычислений. Журнал радиоэлектроники. 2013. №1. (Электронное издание). URL: http://jre.cplire.ru/jre/jan13/3/text. (прототип способа и устройства).
Прототип способа использует волоконно-оптические связи и состоит в следующем. Входящие в устройство сигналы передаются по двум оптическим линиям, пусть наличие сигнала на первой линии означает двоичную единицу, сигнал на второй линии означает ноль. В устройстве на пути прохождения сигналов располагается электронно-оптический переключатель, направляющий входные сигналы в выходные линии, соединенные со следующим устройством. Переключатель в устройстве прототипа выполнен на интерферометрах Маха-Цандера.
В прототипе показано, что ограничиваясь только переключением оптического сигнала между линиями, можно без задержки выполнить все перечисленные выше виды вычислений.
Обычно при выполнении вычислений путь сигнала проходит через какие-либо логические элементы и выполнить вычисления без задержки можно, только если удается все настройки этих элементов выполнить заранее, не анализируя значения поступающих в устройство из канала сигналов. В прототипе логические элементы на пути сигнала отсутствуют и не требуется анализ сигналов.
Недостатки прототипа. Способ и устройство прототипа нельзя использовать в цифровых системах, в которых устройства связаны беспроводными оптическими связями, а также проводной связью, использующей только одну волоконно-оптическую линию связи.
Задача настоящего изобретения - устранить указанные недостатки прототипа.
Технический результат для способа распределенных вычислений состоит в том, что он выполняет распределенные вычисления над приходящим по беспроводному оптическому каналу или по каналу, состоящему из единственной волоконно-оптической линии числом и числом, хранящимся в месте расположения устройства, без задержки приходящего по каналу числа. Далее для краткости оба вида связи назовем оптическим каналом.
1. Технический результат для способа распределенных вычислений достигается тем, что способ выполнения вычислительным устройством распределенных вычислений характеризуется тем, что над разрядами двоичного числа, представленными оптическими сигналами двух частот и передаваемыми по беспроводному оптическому каналу или по волоконно-оптической линии без задержки принятого сигнала на анализ его частоты формируется выходной оптический сигнал без изменения частоты сигнала в разряде результата по сравнению с частотой принятого сигнала, или с заменой одной частоты на другую частоту, или с заменой любой частоты принятого сигнала на частоту единичного значения разряда числа, или с заменой любой частоты принятого сигнала на частоту нулевого значения разряда числа.
Технический результат для устройства распределенных вычислений состоит в том, что оно выполняет обработку числа в нем в соответствии с предложенным способом без задержки сообщения.
Технический результат для устройства распределенных вычислений достигается тем, что для выполнения распределенных вычислений использовано устройство, характеризующееся тем, что к входу из оптического канала или волоконно-оптической линии подключен частотно-селективный разветвитель, выход которого направляет принятый сигнал разряда двоичного числа на один из двух выходов в зависимости от частоты принятого сигнала, причем эти выходы подключены к входам в вычислительное устройство и к входам в блок управления, имеющий также входы управляющих сигналов от вычислительного устройства, причем под управлением этих сигналов без задержки на анализ частоты оптического сигнала с выходов блока управления сигналы управления поступают к лазерному источнику, лазер которого в ответ генерирует и посылает по беспроводному оптическому каналу или по волоконно-оптической линии оптический сигнал без изменения частоты сигнала в разряде результата по сравнению с частотой принятого сигнала, или с заменой одной частоты на другую, или с заменой любой частоты принятого сигнала на частоту единичного значения разряда числа, или с заменой любой частоты принятого сигнала на частоту нулевого значения разряда числа.
Техническая сущность и принцип действия предложенного устройства поясняются чертежами.
Фиг. 1. Устройство с лазером, генерирующим сигналы двух частот.
Фиг. 2. Устройство с двумя лазерами.
Фиг. 3. Блок управления с фотоприемниками.
Фиг. 4. Блок управления с оптическими переключателями.
Приведенные на чертежах устройства следует рассматривать как примеры технической реализации предлагаемого в патенте устройства.
Краткое описание предлагаемого способа распределенных вычислений.
Из оптического канала поступают сигналы двух частот - сигнал одной частоты интерпретируется как двоичная единица, второй - как двоичный ноль. В момент прихода из оптического канала любого из этих сигналов под управлением поступающих от ВУ электрических управляющих сигналов формируется и направляется в выходной оптический канал оптический сигнал, имеющий одну из двух указанных частот. Формирование не требует определения значения приходящего оптического сигнала и поэтому выполняется без задержки. Значение приходящего оптического сигнала передается также в ВУ.
Краткое описание предлагаемого устройства распределенных вычислений.
Устройство для выполнения без задержки распределенных вычислений (далее УРВ) над приходящим по входному оптическому каналу числом и числом, находящимся в ВУ, расположенном совместно с УРВ, содержит частотно-селективный разветвитель поступающих из оптического канала сигналов, электрически управляемый формирователь управляющих сигналов, два лазерных источника выходных оптических сигналов и частотно-селективный концентратор оптических сигналов для направления сигнала лазера - результата вычислений в выходной оптический канал. Двоичные значения (биты) чисел, входящих в УРВ, представлены оптическими сигналами двух частот, аналогично представлены значения чисел, выходящих из УРВ.
Под управлением электрических управляющих сигналов (ЭУС), поступающих от ВУ, значения входных оптических сигналов преобразуются в выходные оптические сигналы так, что без задержки сообщения выполняется над обрабатываемыми числами любая двухместная логическая операция, инверсия, нахождение max и min, арифметическое сложение, вычитание и умножение.
Подробное описание предлагаемого способа.
Вычисление без задержки сообщения выполняет устройство выполнения распределенных вычислений (УРВ) под управлением электрического сигнала управления от ВУ (ЭСУВУ) и канального сигнала управления (КСУ), созданного из сигнала, приходящего из входного оптического канала. ЭСУВУ формируются с учетом требуемого вида вычисления и числа, находящегося в ВУ, расположенном совместно с УРВ. Результат вычисления направляется его получателю по выходному оптическому каналу. Вычисление проводится последовательно поразрядно.
Значения двоичных разрядов сообщения представлены оптическими сигналами двух частот: значение «единица» представляет сигналы частоты f1, значение «ноль» - сигнал частоты f0. Перемещаясь во входном канале (в свободном пространстве или по волоконно-оптической линии), эти сигналы поступают на вход УРВ, которое выполняет вычисление. Так как разряд сообщения имеет определенное значение, то в сообщении одновременно не могут находиться оба сигнала.
Выходной сигнал создает управляемый лазерный источник, который генерирует сигнал частоты f1 или сигнал частоты f0. Генерация каждого выходного сигнала результата выполняется с учетом вида вычисления и значения текущего разряда числа в ВУ при приходе сигнала из входного оптического канала. При этом для исключения задержки сообщения формирование текущего разряда результата не требует анализа значения текущего разряда числа во входном канале. Для выполнения последнего условия способ до прихода сигнала из входного канала формирует путь для передачи сигнала воздействия КСУ на источник выходного оптического сигнала, учитывая только вид вычисления и значение текущего разряда в ВУ. Сигналом КСУ в зависимости от варианта реализации способа может быть входной оптический сигнал или любого вида сигнал, сформированный из входного оптического сигнала без его анализа.
Для удовлетворения этим условиям в зависимости от требуемого вида вычисления и значения разряда числа, находящегося в ВУ, способ выполняет действия, приведенные ниже.
1. В зависимости от частоты приходящего из оптического канала сигнала способ направляет этот сигнал по разным путям: пути 1 для f1 и пути 0 для f0. Переключение выполняется без задержки оптического сигнала пассивными оптическими средствами. Таким образом, это действие выполняется без выполнения каких-либо активных действий УРВ.
2. До прихода из входного канала оптического сигнала в соответствии с правилами раздела «Детализация вычислений», используя сигнал, появившийся на одном из двух путей, формируется канальный сигнал управления КСУ лазерным источником выходных сигналов.
3. Сигнал лазерного источника направляется в выходной оптический канал. Детализация вычислений
Используются следующие действия по генерации выходных оптических сигналов:
- действие (1): при приходе оптического сигнала по пути 1 лазерный источник посылает в выходной оптический канал сигнал f1, а при приходе сигнала по пути 0 - посылает в выходной оптический канал сигнал f0;
- действие (2): при приходе сигнала по пути 1 лазерный источник посылает в выходной оптический канал сигнал f0, а при приходе сигнала по пути 0 - посылает в выходной оптический канал сигнал f1;
- действие (3): при приходе сигнала по пути 1 или по пути 0 лазерный источник посылает в выходной оптический канал сигнал f1;
- действие (4): при приходе сигнала по пути 1 или по пути 0 лазерный источник посылает в выходной оптический канал сигнал f0;
Выполняемые вычисления.
- Логическое умножение. Если в ВУ хранится единичный бит, то выполняется действие (1). Если в ВУ хранится нулевой бит, то выполняется действие (4).
- Логическое сложение. Если в ВУ хранится единичный бит, то выполняется действие (3). Если в ВУ хранится нулевой бит, то выполняется действие (1).
- Исключающее ИЛИ. Если в ВУ хранится единичный бит, то выполняется действие (2). Если в ВУ хранится нулевой бит, то выполняется действие (1).
- Отрицание. Выполняется действие (2).
- Нахождение max (min). Рассмотрим нахождение max. Из входного канала вначале поступает старший разряд числа. Если старший разряд хранящегося в ВУ числа равен единице, то выполняется действие (3), иначе выполняется действие (1). Перед приходом в УРВ следующего разряда числа ВУ анализирует предыдущий сигнал. Если он имел значение «ноль», то выполняются приведенные действия со вторым разрядом чисел. Если предыдущий сигнал имел значение «единица» и разряд числа, хранящегося в ВУ, равен нулю, то число в ВУ не может быть больше поступающего числа и выбор max завершен. Если при входящей единице разряд в ВУ имел значение «единица», то выполняются действия со вторым разрядом чисел как с первым числом. Процесс продолжается до нахождения max или до выяснения равенства чисел. Аналогично находится min с соответствующей заменой значения обрабатываемого разряда.
- Арифметическое сложение. Из входного канала вначале поступает младший разряд числа. Если младший разряд хранящегося в ВУ числа равен единице, то выполняется действие (2), иначе выполняется действие (1). Перед приходом в У PB следующего разряда числа ВУ анализирует предыдущий полученный результат и выбирает следующее действие с учетом наличия единицы переноса в следующий разряд.
- Арифметическое вычитание заменяется сложением с числом, представленным в дополнительном коде. Таким образом, эта и предыдущая операция эквиваленты алгебраическому сложению.
- Арифметическое умножение. Операция сводится к многократным сложениям приходящего по входному каналу числа с самим собой, сдвинутым на количество разрядов, определяемым хранимым в ВУ числом. ВУ запоминает приходящие разряды числа и до прихода очередного разряда числа, используя их в качестве одного из операндов, формирует разряд произведения. Вычисления в ВУ можно реализовать иначе: каждое суммирование операции выполнять на отдельном описанном выше сумматоре. Эти сумматоры управляются одним и тем же ВУ и соединены оптическим каналом последовательно.
Подробное описание предлагаемого устройства.
Общая схема устройства для выполнения без задержки распределенных вычислений (УРВ), действующего по предложенному в патенте способу показана на фиг. 1.
Здесь: 1 - входной оптический канал; 2 - частотно-селективный разветвитель; 3 - разделенные по частоте каналы; 4, 5 - модули управления; 6 - блок управления; 7 - канал электрического управления модулями управления; 8 - каналы управления лазерным источником; 9 - лазерный источник; 10 - выходной оптический канал.
Двоичные значения (биты) чисел, входящих в УРВ, представлены указанными в способе оптическими сигналами двух частот, аналогично представлены значения чисел, выходящих из УРВ.
Выход канала 1 соединен с входом частотно-селективного разветвителя 2, выходы последнего 3, выделенные для частот f1 и f0, подключены к входам модулей управления 4, 5, составляющих в совокупности блок управления 6. Под действием группы электрических управляющих сигналов (ЭСУВУ), поступающих от ВУ на входы 7, значения сигналов из 3 преобразуются в канальные сигналы управления КСУ. Они по каналам управления лазерным источником 8 поступают на один из двух входов лазерного источника 9, содержащего перестраиваемый по частоте лазер, который генерирует в ответ на сигналы КСУ сигнал частоты f0 8 или f1 9. Этот сигнал поступает в выходной канал 10.
На фиг. 2 приведено УРВ, выполняющее те же функции, что и рассмотренное УРВ, но в нем в лазерном источнике применены более распространенные лазеры с фиксированной частотой излучения. Здесь: 1 - входной оптический канал; 2 - частотно-селективный разветвитель; 3 - разделенные по частоте каналы; 4 - блок управления; 5 - модули управления; 6 - канал электрического управления модулями управления; 7 - каналы включения лазеров; 8 - лазер формирования сигнала со значением «ноль»; 9 - лазер формирования сигнала со значением «единица»; 10 - отклоняющие оптический луч элементы; 11 - частотно-селективный концентратор; 12 - выходной оптический канал.
Выход канала 11 соединен с входом частотно-селективного разветвителя 12, выходы последнего 13, выделенные для частот f1 и f0, подключены к входам модулей управления 15, составляющих в совокупности блок управления 14. Под действием группы электрических управляющих сигналов (ЭСУВУ), поступающих от ВУ на входы 16, значения входных сигналов из 13 преобразуются в канальные сигналы управления, которые по каналам включения лазеров 17 поступают на два лазера 18, 19, генерирующих сигнал частоты f0 18 или f1 19. Эти сигналы поступают на отклоняющие оптический луч пассивные элементы 20, выходы которых соединены с входом в частотно-селективный концентратор 21; далее сигнал поступает в выходной канал 22.
1-4
1-4
1,2
3,4
1,3
2,4
Приведем пример реализации второго устройства с использованием в блоке 14 фотоприемников и электрически управляемых лазерных источников 18, 19. Двоичные разряды чисел, над которыми выполняются вычисления, передаются по входному каналу оптическими сигналами на двух частотах: f1 для значения 1 и f0 для значения 0. Эти сигналы поступают в показанное на фиг. 2 УРВ, в его блок управления, показанный на фиг. 3. На фиг. 3 фотоприемники P обозначены как 23÷26 соответственно, 27 - входы сигналов ЭСУВУ, поступающих на фотоприемники. Пассивными оптическими средствами оптический сигнал направляется в группу фотоприемников Р, причем сигнал f1 поступает на P, сигнал f0 поступает на Р Созданные фотоприемниками электрические сигналы с выходов P поступают на лазерный источник 19, генерирующий при этом оптический сигнал f1. Сигналы от P поступают на лазерный источник 18, генерирующий сигнал f0. Сигналы с выходов лазеров 18 и 19 направляются отклоняющими элементами 20 в концентратор 21, объединяются им и передаются в выходной оптический канал 22.
1
3
2
4
Фотоприемники P, Р соответствуют верхнему модулю 15 на фиг. 2; Р, P - нижнему модулю.
1
4
1
4
2,3
1,3
2,4
1,4
Вычислительное устройство ВУ до прихода f1 или f0 в УРВ подает управляющие сигналы C, …, С из группы сигналов ЭСУВУ 15 на P, …, Р соответственно. Если поступают управляющие сигналы на Р, то значение пришедшего оптического сигнала без анализа его значения и без задержки будет инвертировано; P формирует из любого входного оптического сигнала оптический сигнал f1; Р формирует сигнал f0; P не изменяет значение входного сигнала. В соответствии со способом этих сигналов достаточно для выполнения указанных операций над числом в сообщении и числом в ВУ.
0
1
Второй пример реализации предлагаемого устройства использует показанный на фиг. 4 блок управления с модулями, выполненными на быстродействующих оптических переключателях. Обозначения на фиг. 4: 28 - переключатель Р, 29 - переключатель P, 30 - входы двух управляющих электрических сигналов. В настоящее время известны два вида таких переключателей - на интерферометрах Маха-Цандера (Green W.M., Rooks M.J., Sekaric L., Vlasov Y.A. Ultra-compact, low RF power, 10 Gb/s silicon Mach-Zehnder modulator // Optics Express. 2007. Vol. 15, N 25. P. 17106-17113.) и использующие микрорезонаторы (Ophir Ν., Mineo С, Mountain С, Bergman K. Silicon Photonic Microring Links for High-Bandwidth-Density, Low-Power Chip I/O. IEEE micro, vol. 33. n. 1. 2013. P. 54-67.). Оба вида переключателей под действием управляющих электрических сигналов направляют входной оптический сигнал на один из двух выходов без его преобразования в электрический сигнал. При использовании лазеров, генерацией сигналов которых управляют оптические сигналы (Создан управляемый светом лазер. Cnews 29.01.2008. URL: http://zoom.cnews.ru/rnd/news/top/sozdan_upravlyaemyj_svetom_lazer/print), все описанные выше вычисления выполняются без промежуточного преобразования оптических сигналов в электрические. ВУ использует четыре возможные комбинации, посылаемых в УРВ двух сигналов ЭСУВУ, для выполнения указанных в первом примере четырех переключений выходов, обеспечивающих выполнение без задержки вычислений.