三值光学计算机

2000年，上海大学金翊教授从构造计算机的基本原则和光的基本特性出发，首次将光强度与偏振方向结合起来表示三值信息，利用液晶的旋光效应和偏振器来实现三种光学状态的相互转换和迁移，提出了一种全新的光计算机理论——三值光学计算机(Ternary Optical Computer，简称TOC)。

随着大型电子计算机系统的复杂度不断提高，其功耗大到难以接受的地步，于是人们越来越关注各种新形式的计算机，光学计算机成为人们关注的焦点之一。光有不同于电的物理特性，导致光学计算机有不同于电子计算机的特点：速度可以更快、位数可以更多、使用更多的物理状态（多值）和能耗更小等，理想的光学计算机应该兼有这些特点。目前的光学计算机研究中，有许多研究着力于“高速度”，同时也有研究着力于“位数众多”。节能问题也成为新的关注点。

三值光学计算机用两个正交的偏振态和无光态表示信息，所以，它的一个数据位上有三个取值，除0和1之外，还可以再取一个值。它用液晶阵列控制光束的偏振方向，配合偏振片来完成信息处理。由于液晶阵列的像素非常多，所以三值光学计算机的数据位数非常多，2007年建成的实验系统中有360位，目前在建的实验系统达到1千位，而且很容易继续扩大。另一方面，数百万像素液晶屏的功耗也在毫瓦级，决定了三值光学计算机将耗能很小，目前的360位实验系统功耗总功耗约为100瓦，其光学部件的功耗约2瓦。

三值光学计算机实验系统的光学处理器依据降值设计原理建造，对这种处理器而言，降值设计原理表述为：在3^9（=19683）个三值逻辑处理器中，任意一个都可以用18种运算基元组合而成，而且用到基元总数不多于6个。于是，三值光学处理器中只要对18种运算基元准备好足够的数量，就可以随时把光学处理器的任何部分构造成用户需要的某个三值逻辑运算器。这称为三值光学处理器的重构性。

由于逻辑运算的位和位之间没有关联，因此可以把一个光学处理器的不同位置，即数据位的不同片段，构造成不同的逻辑运算器，于是，在一个操作指令下，这个光学处理器的不同区域能完成不同的逻辑运算。这是电子计算机所做不到的。另一方面，又可以把一个光学处理器看作是一个大光学处理器的一部分，当这个光学处理器的数据位数不够多时，可以启用大光学处理器的其他部分，即给这个光学处理器拼接一个新的光学处理器，二者形成一个较大的光学处理器，而不像电子计算机形成“多CPU”或“多核”。因此，当用几个光学处理器拼接成一个大处理器时不存在“核间通信”和“核间同步”问题。这是与电子计算机的又一个不同点。同时，光学处理器的这种直接拼接性，更使得三值光学计算机可以有很多的数据位数，理论上多到满足任何用户的需要。

三值光学计算机实验系统就是已经成功的巨位数计算机，依据2008年公开的降值设计原理，可以随时把三值光学处理器近千个数据位的任意区域构造成需要的三值（包括二值）逻辑运算器。然而，众多的数据位数不能容忍行波加法器中进位过程的延时，光学部件又很难实现先行进位加法器中的进位树结构，在三值光学计算机研究的初期，研究者们就注意到这个难题，于2003年提出了进位直达并行通道加法器原理和结构，但多种因素致使这种加法器没能付诸实施。因此，两年来三值光学计算机实验系统一直不便进行大规模算术运算。2009年底，研究者们认真总结了三值光学计算机系统的各项研究和实验，建立了三值光学计算机的MSD ( Modified Signed-Digit )计数制的数值计算体系，它包括MSD加法器、乘法例程、除法例程和矩阵乘法例程，其中MSD加法器是基础和核心。