用于下一代全息成像的高性能并行計(jì)算

正文

用于下一代全息成像的高性能并行計(jì)算

技術(shù)背景：

視頻全息術(shù)(電子全息術(shù))于 1990 年首次證實(shí)。隨著該領(lǐng)域的發(fā)展爹袁，可以清晰的意識(shí)到電子全息術(shù)的主要限制是缺乏高清顯示設(shè)備和需要高速計(jì)算远荠。在此期間，顯示設(shè)備可實(shí)現(xiàn)的分辨率增加了10倍失息，從大約10μm到接近1μm譬淳，現(xiàn)在正接近使常規(guī)應(yīng)用變得實(shí)用的水平盹兢。然而邻梆，隨著全息顯示精度的提高，計(jì)算量也隨之增加绎秒。例如确虱，像素間距為1μm的1m × 1m全息圖需要10^12像素，而典型的二維顯示器約10^6像素(增加了 10^6 倍)。當(dāng)考慮將三維圖像轉(zhuǎn)換為全息圖的成本時(shí)校辩，需要增加 10^6 的計(jì)算能力窘问。開發(fā)實(shí)用的全息三維圖像系統(tǒng)的研究主要集中在加快處理時(shí)間上。

當(dāng)前已經(jīng)提出了基于查找表或差分法等技術(shù)的各種計(jì)算機(jī)全息算法惠赫，并取得了重大進(jìn)展 。然而故黑，僅僅通過提高軟件的運(yùn)行速度很難開發(fā)出實(shí)用的技術(shù)儿咱。對于實(shí)時(shí)處理要面對的大量信息，需要大規(guī)模并行和分布式計(jì)算系統(tǒng)场晶。自2000年初以來混埠，GPU計(jì)算一直是各個(gè)領(lǐng)域積極研究的主題。全息計(jì)算非常適合GPU加速诗轻，并且使用多塊GPU板的GPU系統(tǒng)已被研究用于電子全息的實(shí)時(shí)重建钳宪。然而，雖然多GPU系統(tǒng)可以加速全息計(jì)算扳炬，但有人提出很難依據(jù)GPU的數(shù)量來加速計(jì)算吏颖。

技術(shù)要點(diǎn)：

基于此，日本千葉大學(xué)的Takashige Sugie(一作)和Tomoyoshi Ito(通訊)等人開發(fā)了一種全息計(jì)算板專用硬件HORN-8恨樟，其運(yùn)行頻率為0.25GHz,有效速度相當(dāng)于0.5petaflops(每秒10^15次浮點(diǎn)運(yùn)算)半醉。當(dāng)使用HORN-8集群系統(tǒng)計(jì)算由7877個(gè)點(diǎn)組成的三維圖像時(shí)，可以視頻速率(10fps)更新一億個(gè)像素的全息圖劝术。

(1)它將8塊大規(guī)模(large scale)FPGA芯片組裝在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的PCI-Express板上,7塊FPGA芯片(Xilinx Virtex5-XC5VLX 110)用來計(jì)算缩多，一塊FPGA芯片(Xilinx Virtex5-XC5VLX30T)用來通訊；

(2)由于2018年時(shí)沒有可容納4個(gè)以上大型FPGA的商用電路板养晋，因此開發(fā)了一塊定制板，以支持大規(guī)模并行和分布式處理匙握；

(3)三維圖像由點(diǎn)云模型表示咆槽，全息圖為振幅型。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

視頻1圈纺、 8塊HORN-8組成集群系統(tǒng)的電子全息實(shí)時(shí)光學(xué)重建秦忿。該圖像是從具有 6.5微米像素間距的200萬像素全息圖重建的。

視頻2蛾娶、從8塊HORN-8組成集群系統(tǒng)模擬寬視場電子全息術(shù)灯谣。該圖像是從具有1微米像素間距的1億像素全息圖計(jì)算重建的。全息圖的視角約為 30°蛔琅。

視頻3胎许、8塊HORN-8組成集群系統(tǒng)獲得的大規(guī)模電子全息圖像。從1000萬個(gè)點(diǎn)的物體生成1億像素的全息圖，并通過模擬重建辜窑。物體數(shù)據(jù)被劃分為160個(gè)塊钩述，并為每個(gè)塊準(zhǔn)備了單獨(dú)的全息圖。然后通過時(shí)分方法重建這些圖像以獲得單個(gè)靜止圖像(當(dāng)物體的點(diǎn)云數(shù)很大時(shí)穆碎，將其分為多個(gè)子塊來計(jì)算牙勘，只要刷新率足夠快，就可以看作一個(gè)物體)所禀。

附錄：

從10000個(gè)點(diǎn)的三維圖像生成1920x1080像素的全息圖時(shí)，HORN-8板色徘、CPU恭金、GPU性能比較。

參考文獻(xiàn)：Sugie, T., Akamatsu, T., Nishitsuji, T. et al. High-performance parallel computing for next-generation holographic imaging. Nat Electron 1, 254–259 (2018).

DOI：https://doi.org/10.1038/s41928-018-0057-5

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