Оптоэлектронное вычислительное устройство для решения дифференциальных уравнений в частных производных Советский патент 1990 года по МПК G06F3/00 

.1

Изобретение относится к гибридным вычислительным устройствам с опто- электронными сеточными процессорами и предназначено для решения дифферен циальных уравнений в частных производных.

Цель изобретения повышение точности решения,

На фиг.1 приведена схема устрой- ства; на фиг,2 - фрагмент оптоэлект- ронного сеточного операционного блока , на фиг.З - схема оптоэлектронно- го узла и узла памяти.

Вычислительное устройство содержи блок 1 управления, первый 2 и второй 3 оптоэлектронные сеточные операционные блоки, мультиплексор 4, блок 5 постоянной памяти, первый 6 и второй 7 блоки оперативной памяти,.блок 8 контроля и аналого-цифровой преобразователь 9.

Каждый оптоэлектронный сеточный операционный блок содержит оптоэлектронные узлы 10, которые, в соответ- ствии с топологией репшемой задачи соединяются посредством оптоэлектрон ных ключей между собой .в моделирующую среду переменной структуры и узл 11 памяти, соединение между собой оп тоэлектронных узлов и задание параметров их элементов осуществляется оптическими сигналаьш от узЛов памяти,

Оптоэлектронный узел 10 содержит .многополюсник из оптокодоуправляемых резисторов для конечно-разностной реализации моделируемых уравнений и включенный в параллель с ним многополюсник таких же резисторов для pea лизации условий нелинейностей, оптоэлектронные ключи для задания структуры модели-сетки. Узел 10 может модлировать поведение функции в нескольких узловых точках и поэтому может сос тоять из комбинации трех, четырех, шести и более многополюсников .оптокодоуправляемых резисторов. -.Узел 11 памяти coдepжIiT матрицу элементов памяти, которые вьшолиены на -триггерах с источниками излучения, включенными в плечи триггера.

Устройство предназначено для решения дифференциальных уравнений в

частных производных

ifr L t

)( 1 К

ср, Cj) , f е X к

где Cf- моделируемая функция,

Ц - коэффициенты, описывающие

свойства моделируемой среды,, пространственная координата

(k - индекс размерности), . f - функция источника.

Уравнения (1) приводятся к следующему конечно-разностному виду, записанному для i, j узловой точки дискретного моделируемого пространства

ilFi..,i b;jq ;,j,, )... +

(2)

(Ь- ;.,) J (

О (3)

Pij -rb..C;..d-V;. 9..|,..c..;

где ф-- - коэффициент, описываюпщй

начальные свойства моделируемой среды характеристика изменения

свойств моделируемой среды с изменением значений моделируемой функции. Распределение моделирующих потенциалов в оптоэлектронном узле 10, моделирующем узловую точку дискретного пространства, описывается следующим уравнением

п 45ед

5

, 4..,,j

-gV i- - d

(4)

J

U,

где g.;-gj- - проводимость межузловых оптокодоуправляемых pe- зисторов ,

-проводимость 5 зловьтх оптокодоуправляемых резисторов J

-величина опорного по тенциала.

Приводя уравнения (2) и (4) к безразмерному виду и используя масштабные коэффициенты связи моделируемых переменных , имеем следующие соотношения задания параметров элементов оптоэлектронного сеточного операционного .блока

а. ... , 2 . 2 i, i :U-il : Slj Ь. liL uxf.q; - IJF g ( r

UoV, ш )

fiLhi

где помеченные звездочкой параметры - опорные величины, задаваемые произвольно,.

Величина проводимости оптокодо- управляемого резистора для блока 3 задается следуюоцим образом

Ajy Х/Л 1 Ai. 1 1

Ч

Wuh

MJiLo

,;, AX.)M ,J Исходные данные в виде значений

коэффициентов, количества и размеров моделируемых зон, характеристик нелинейностей, начальных и граничных условий записываются в блок 6 оперативной памяти, затем в соответствии с заданньп и условиями решаемой задачи, конфигурацией узлов 10 и 11 производится расчет необходимого числа узлов 10 и числа оптокодоуправляе(6

с ЭТИМИ полученными данными и топологией соединения узлов 10 производится распределение оперативной памяти блока 7, каждая ячейка которог соответствует конкретному функционаному элементу блока 2. Для задания рабочих параметров элементов блока из блока б оперативной памяти считываются исходные данные и по соотношениям (5) и (6) производится расче рабочих данных, которые записываютс в отводимые для этих данных ячейки блока 7 оперативной памяти. Записанные в блок 7 рабочие данные хранятс и обновляются в процессе решения задачи, и высвечиваемое посредством источников излучения, включенных в элементы памяти этих ячеек, поле оптических кодовых сигналов производи оптическое управление параметрами элементов блока 2. Такое управление осуществляется через поразрядное изнение проводимости оптокодоуправляе элементов и селективное оптическое :включение оптозлектронных ключей узлов 10.

При решении дифференциальных уравнений в частных производных с постоянными коэффициентами решение пслуча ется сразу же после записи в блок 7 рабочих данных для структуры и свойс моделируемой среды. Результаты решен считываются оптическим сканированием узловьгх точек узлов 10 путем записи в соответствующие ячейки блока 7 памяти номеров сканируемых узловых точек, высвечиваемый при этом оптический сигнал открывает соответствующий

35

х

50 следующем шаге.

1605221

оптоэлектронный ключ узла 10 и подключает к входу АЦП 9 измеряемую узловую точку, преобразованная в цифровую форму величина измеряемого моделирующего потенциала записывается в отведенный для полученных .результатов решения массив блока 6 памяти. ) При решении нелинейных дифференци- JQ альных уравнений в частных производных кроме описанных процедур для линейных задач записывается в блок 6 памяти массив начальных данных, а в блок 7 памяти - массив этих же дан- 5 ных, но умноженный на соответствую- пще характеристики нелинейностей. Высвечиваемое поле оптических сигналов из блока 7 приводит к установлению стартового распределения моделирую- 20 ших потенциалов в блоке 2. Процесс решения нелинейных задач заключается в измерении получаемых решений в каждом из узлов 10 и перезаписи полученных измеренных данных с учетом 25 характеристик нелинейности в соответствующую ячейку блока 7 памяти, при этом высвечивание нового оптического кодового сигнала из этой ячейки приводит к соответствующему изменению 30 параметров элементов блока 3, что в свою очередь скажется на величине узлового и окрестных моделирующих потенциалов. Дальнейшая процедура задания параметров элементов узла 10 будет определяться выбранной схемой итераций, которая может быть построена как локальная, позонная и пошаго - вая коррекция. Две последние схемы итераций требуют организации двух дд массивов данных: массива оперативных данных, заполняемого в процессе по- узловой итерации на каждом шаге решения и записываемого в блок 7, и массива стартовых данных, записываемого в блок 6 и обновляемого в конце каждого шага решения. В конце шага решения оба массива сравниваются, и в соответствии с выбранной схемой итераций задаются условия решения на

45

следующем шаге.

Решение нелинейных задач может осуществляться с большим быстродействием и без итераций. Если каждая линия сопряжения соответствующих уз- лов 10 и 11 будет содержать свой аналого-цифровой преобразователь, тогда производится одновременно измерение моделирующих потенциалов в узловых точках каж,цого узла 10, запись в

71605221

лок 7 памяти, и одновременное высвеивание управляющих оптических сигалов изменяет соответствующим обраом параметры элементов каждого уза 10.

ре эл бл мя ка то из пл лы ны по че бо ти лу уп вы эл ты оп лу па эл мя вт ра ,бо ме ки бл вт вкл ,ни ро бл бо

Формула изобретення

Оптоэлёктронное вычислительное устройство для решения дифференциальных уравнений в частных производных, содержащее первый оптоэлектрон- ный сеточный операционный блок, блок управления, блок постоянной памяти, первый блок оперативной памяти, мультиплексор, аналого-цифровой преобразователь и блок контроля, при этом первый оптоэлектронный сеточный операционный блок содержит оптоэлектрон ные узлы, резисторные элементы которых соединены между собой в соответствии с топологией решаемой задачи и образуют моделирующую среду переменной структуры с узловыми элементами задания значений узловых функций источников и -стоков, входы управления проводимостью элементов первого оп- тоэлектронного сеточного операционного блока оптически связаны с соответствующими оптическими выходами блока управления, входы мультиплексора подключены соответственно к узловым точкам первого оптоэлектронного операционного блока, а выход соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, отличающеес тем, что, с целью точности

8

o

5

0

5

0

5

решения, оно Содержит второй оптоэлектронный сеточный операционный блок и второй блок оперативной -памяти, который выполнен на триггерах, каждый из которых содержит два источника излучения, каждый источник излучения включен в соответствующее плечо триггера, оптоэлектронные узлы первого и второго оптоэлектрон- ных сеточных операционных блоков выполнены в виде оптоэлектронных ключей, электрически соединенных с набором калиброванных резисторов и оптически связанных с источниками излучения, образуя при этом оптокодо- управляемые резисторы, на которых выполняется структура модели-сетки, элементы задания структуры и элементы мультиплексора выполнены в биде оптически связанных источников излучения , содержащихся в элементах памяти, и соответствующих им опто- электронных ключей этих элементов памяти, оптоэлектронные узлы первого и второго оптоэлектронных сеточных операционных блоков соединены между со- ,бой через оптоэлектронные ключи Зле- ментов задания структуры модели-сетки, входы-выходы блока управления, блока постоянной памяти, первого и второго блоков оперативной памяти с включенными в элементы памяти источ- ,никами излучения, выход аналого-цифрового преобразователя и вход-выход блока контроля соединены между собой через общую магистраль.

: вм

дешифратор У

f

11

Изобретение относится к вычислительной технике, в частности к устройствам для решения дифференциальных уравнений в частных производных. Цель изобретения - повышение точности решения. Цель достигается тем, что устройство содержит блок 1 управления, первый и второй оптоэлектронные сеточные операционные блоки 2 и 3, мультиплексор 4, блок 5 постоянной памяти, первый и второй блоки 6 и 7 оперативной памяти, блок 8 контроля и аналого-цифровой преобразователь 9. 3 ил.

у. гЩ i Кп L ни dhj

, ,д,--,

вI

Фиг. 3