CN116187455A - 一种经典及量子混合指令流水线设计方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种经典及量子混合指令流水线设计方法及装置。该方法将指令执行过程划分为五个时钟周期；在指令提取周期，根据程序计数器的值从共享指令存储器中读取指令至指令寄存器中，然后更新程序计数器的值；在指令译码/寄存器提取周期，从指令寄存器中读取指令，对于量子指令，则将其解码为量子操作后发送至量子控制单元以将其由数字信号转换为模拟信号；在执行/地址计算周期，对于量子指令，利用量子处理单元对量子控制单元输出的模拟信号进行处理以控制不同量子比特上的量子态演化；在测量/存储器访问周期，对于量子指令，利用量子控制单元将测量结果转换为数字信号后写入经典寄存器；在写回周期，将指令执行结果写入至对应的寄存器。
Description
技术领域
本发明涉及量子计算技术领域，尤其涉及一种经典及量子混合指令流水线设计方法及装置。
背景技术
在经典计算领域，指令流水线是通过将指令执行划分为多个周期实现多条指令重叠执行的技术。指令之间的重叠称为指令级并行（Instruction Level Parallelism,ILP）。指令流水线开发了串行指令流中各指令之间的并行性，可以缩短每条指令的平均执行时钟周期（clock cycles per instruction, CPI），但同时也引入了数据冒险、结构冒险和控制冒险等问题，相应的优化技术包括转发和旁路、分支预测和动态调度等。
在量子计算领域，与经典体系结构一样，量子指令集体系结构（QuantumInstruction Set Architecture, QISA）是完全可编程量子计算机的一个重要组成部分，它是量子软件和硬件之间的接口。和经典并行计算类似，量子程序中也存在多个级别的并行性。例如，量子程序通常是通过并联子电路组织的，在其中可以同时执行不同的量子操作。量子指令执行的并行优化技术包括线路级并行（Circuit Level Parallelism, CLP）和量子操作级并行（Quantum Operation Level Parallelism, QOLP）等。例如已有研究提出了利用CLP的一种多处理器架构，该架构支持不同子电路的动态调度，可处理并行反馈控制，并将中断定时控制的潜在开销降至最低。在量子操作级并行方面已有研究提出了高效并行量子指令的量子超标量方法。
在指令级并行研究领域，已有技术或是针对经典计算程序的指令并行技术，或是仅针对量子线路的指令并行技术，尚未关注到经典及量子混合指令的并行优化。目前典型的经典及量子混合程序的执行过程一般为经典预处理、量子计算和经典后处理的迭代过程。其中，经典指令在经典CPU流水线上执行，量子指令发送给量子计算机执行。经典和量子指令执行的过程相对独立，限制经典及量子混合指令执行的主要原因是：在量子相干时间内还无法进行实时经典计算。针对此问题，已有研究提出了基于高速同步测控设备在相干时间内进行经典计算的技术，该方法称为动态线路技术。
综上，已有技术包括成熟的经典指令流水线技术、量子指令并行优化技术以及基于高速同步设备的动态线路技术，缺点是目前尚不存在经典及量子混合指令流水线，对于经典及量子混合程序，当经典指令和量子指令交替执行时，无法实现指令重叠执行。
发明内容
针对经典和量子混合程序在当前技术下无法实现高效指令流水并行的问题，本发明提供一种经典及量子混合指令流水线设计方法及装置，可以提高混合程序的执行效率，更高效地在有限的量子相干时间内和噪声干扰下完成经典量子混合计算。
一方面，本发明提供一种经典及量子混合指令流水线设计方法，将指令执行过程划分为五个时钟周期，包括指令提取周期、指令译码/寄存器提取周期、执行/地址计算周期、测量/存储器访问周期和写回周期；
在指令提取周期，根据程序计数器的值从共享指令存储器中读取指令至指令寄存器中，然后更新程序计数器的值；所述共享指令存储器是指由经典指令和量子指令共享的指令存储器；
在指令译码/寄存器提取周期，从指令寄存器中读取指令，若当前指令为经典指令，则按照经典指令的原有译码和读取方式进行相应操作；若当前指令为量子指令，则将其解码为量子操作后发送至量子控制单元以将其由数字信号转换为模拟信号；
在执行/地址计算周期，对于经典指令，利用ALU单元按照经典指令的原处理方式进行处理；对于量子指令，利用量子处理单元对量子控制单元输出的模拟信号进行处理以控制不同量子比特上的量子态演化；
在测量/存储器访问周期，对于经典指令，按照经典指令的原访问方式进行共享指令存储器访问；对于量子指令，利用量子控制单元将测量结果转换为数字信号后写入经典寄存器；
在写回周期，将指令执行结果写入至对应的寄存器。
另一方面，本发明提供一种经典及量子混合指令流水线处理装置，包括经典指令处理模块和量子指令处理模块；
所述经典指令处理模块， 用于在指令译码/寄存器提取周期，按照经典指令的原有译码和读取方式进行相应操作；在执行/地址计算周期，利用ALU单元按照经典指令的原处理方式对经典指令进行处理；以及按照经典指令的原访问方式进行指令存储器访问；
所述量子指令处理模块包括：量子寄存器、量子控制单元和量子处理单元；
所述量子寄存器，用于在指令译码/寄存器提取周期，将量子指令解码为量子操作后发送至量子控制单元；
所述量子控制单元，用于在指令译码/寄存器提取周期，将量子操作由数字信号转换为模拟信号；以及用于在测量/存储器访问周期，将测量结果转换为数字信号后写入经典寄存器；
所述量子处理单元，用于在执行/地址计算周期，对量子控制单元输出的模拟信号进行处理以控制不同量子比特上的量子态演化。
进一步地，还设置有指令缓存，用于对在指令提取周期内被读取至指令寄存器中的指令进行缓存。
本发明的有益效果：
本发明基于经典指令流水线设计和量子指令并行技术，设计了经典及量子混合指令流水线方案，充分利用经典及量子混合程序中混合指令之间的并行性，实现经典及量子混合指令的流水执行，为经典及量子混合程序的高效执行提供了支撑。和已有技术相比，本发明针对当前尚不存在经典及量子混合指令流水线的不足，解决了经典和量子混合程序执行过程中，由于量子反馈控制以及经典和量子单元间的通信引入的显著流水线延迟等问题。
附图说明
图1为本发明实施例提供的经典及量子混合指令流水线及数据路径示意图；
图2为本发明实施例提供的混合程序在混合流水线上的执行过程示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
通过对量子指令的执行过程进行深入分析，发明人认为量子指令的执行过程可以可分为数模转换（DA）和执行（EX）阶段，量子指令的测量过程可分为模数转换（AD）和内存访问（MEM）。基于此，本发明实施例挖掘经典及量子混合程序的指令级并行性，充分考虑量子指令特征，在经典流水线基础上引入量子指令处理部件，并将量子指令执行过程划分为若干指令周期，从而将量子指令流水线化并与经典流水线合并，解决了经典和量子混合程序执行过程中，由于量子反馈控制以及经典量子通信引入的显著流水线延迟等问题，实现经典及量子混合程序的高效指令级并行。
如图1所示，本发明实施例提供一种经典及量子混合指令流水线设计方法，其特征在于，将指令执行过程划分为五个时钟周期，包括指令提取周期（IF）、指令译码/寄存器提取周期（ID）、执行/地址计算周期（EX）、测量/存储器访问周期（MM）和写回周期（WB）；图1中，NPC、A、B、Imm和ALUoutput均表示临时寄存器；IR表示指令寄存器；Mux表示多路选择器；
在指令提取周期，根据程序计数器（PC）的值从共享指令存储器（混合程序所有指令均存储在共享指令存储器）中读取指令至指令寄存器中，然后更新程序计数器的值（每条指令长度为4字节，程序计数器（PC）每次加4）；所述共享指令存储器是指由经典指令和量子指令共享的指令存储器。经典指令包括算数指令、控制指令和加载/存储指令等。量子指令为基础量子门（如U门和CR门）构成的量子操作（Qop）。
在指令译码/寄存器提取周期，从指令寄存器中读取指令，若当前指令为经典指令，则按照经典指令的原有译码和读取方式进行相应操作；若当前指令为量子指令，则将其解码为量子操作（Qop）后发送至量子控制单元以将其由数字信号转换为模拟信号；
在执行/地址计算周期，对于经典指令，利用ALU单元按照经典指令的原处理方式进行处理；对于量子指令，利用量子处理单元对量子控制单元输出的模拟信号进行处理以控制不同量子比特上的量子态演化；
在测量/存储器访问周期，对于经典指令，按照经典指令的原访问方式进行共享指令存储器访问；对于量子指令，利用量子控制单元将测量结果转换为数字信号后写入经典寄存器；
具体地，若经典指令是加载指令，则使用上一个周期中计算的有效地址进行读取；若经典指令是存储指令，则将使用有效地址从经典寄存器中读取的寄存器数据写入内存。
在写回周期，将指令执行结果（包括经典加载指令、经典ALU计算指令和量子测量指令）写入至对应的寄存器。
图2给出了一个经典及量子混合程序在本发明所提出的经典及量子混合指令流水线上的执行过程，图2 中左侧为低级指令表示的混合程序代码，该程序由经典指令和量子指令组成，其中H和Measure为量子指令，其余为经典指令。在该程序中，对量子比特进行操作和测量的结果保存至经典寄存器R5中，并在经典指令DSUB指令中使用。图2右侧为该程序指令在本发明所提出的混合流水线上的执行过程，即随时钟周期递增，每条指令在流水线中所处阶段。其中各符号与指令对应关系为：H-H，M-Measure，LD-LD，SUB-DSUB，AND-AND，OR-OR。下面对每个时钟周期流水线中的指令执行过程进行详细说明。
第一个时钟周期，量子指令H进入IF阶段；
第二、三、四个时钟周期，量子指令M、经典指令LD和经典指令SUB依次进入流水线，流水线中各指令按时钟周期依次进入流水线下一阶段；
第五个时钟周期，SUB指令和LD指令分别进入流水线ID和EX阶段，其中SUB指令的源寄存器R1数据应来自于LD指令的目的寄存器，源寄存器R5数据应来自于Measure指令的目的寄存器，由于LD指令和Measure指令均未执行完毕，流水线检测到数据冒险，将在下一时钟周期采取停顿方式解决数据冒险。
第六个时钟周期，由于上一时钟周期检测到数据冒险，流水线通过停顿方式等待数据就位，SUB指令及SUB指令之前的指令停顿执行，SUB指令之后的指令在流水线中继续执行。其中，LD指令和Measure指令分别进入MEM阶段和WB阶段。
第七个时钟周期，LD指令已将内存中的数据加载至R1寄存器，Measure指令已将测量结果写至R5寄存器，数据冒险解除。流水线正常执行，OR指令进入流水线IF阶段；
第八个时钟周期至第十一个时钟周期，流水线有序正常执行至OR指令进入WB阶段完成执行。
实施例2
本发明实施例还提供一种经典及量子混合指令流水线处理装置，包括经典指令处理模块、量子指令处理模块和指令缓存；
所述经典指令处理模块，用于在指令译码/寄存器提取周期，按照经典指令的原有译码和读取方式进行相应操作；在执行/地址计算周期，利用ALU单元按照经典指令的原处理方式对经典指令进行处理；以及按照经典指令的原访问方式进行指令存储器访问；
所述量子指令处理模块包括：量子寄存器、量子控制单元和量子处理单元；
所述量子寄存器，用于在指令译码/寄存器提取周期，将量子指令解码为量子操作后发送至量子控制单元；
所述量子控制单元，用于在指令译码/寄存器提取周期，将量子操作由数字信号转换为模拟信号；以及用于在测量/存储器访问周期，将测量结果转换为数字信号后写入经典寄存器；
所述量子处理单元，用于在执行/地址计算周期，对量子控制单元输出的模拟信号进行处理以控制不同量子比特上的量子态演化；
所述指令缓存，用于对在指令提取周期内被读取至指令寄存器中的指令进行缓存，可以进一步提高执行效率。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (3)
1.一种经典及量子混合指令流水线设计方法，其特征在于，将指令执行过程划分为五个时钟周期，包括指令提取周期、指令译码/寄存器提取周期、执行/地址计算周期、测量/存储器访问周期和写回周期；
在指令提取周期，根据程序计数器的值从共享指令存储器中读取指令至指令寄存器中，然后更新程序计数器的值；所述共享指令存储器是指由经典指令和量子指令共享的指令存储器；
在指令译码/寄存器提取周期，从指令寄存器中读取指令，若当前指令为经典指令，则按照经典指令的原有译码和读取方式进行相应操作；若当前指令为量子指令，则将其解码为量子操作后发送至量子控制单元以将其由数字信号转换为模拟信号；
在执行/地址计算周期，对于经典指令，利用ALU单元按照经典指令的原处理方式进行处理；对于量子指令，利用量子处理单元对量子控制单元输出的模拟信号进行处理以控制不同量子比特上的量子态演化；
在测量/存储器访问周期，对于经典指令，按照经典指令的原访问方式进行共享指令存储器访问；对于量子指令，利用量子控制单元将测量结果转换为数字信号后写入经典寄存器；
在写回周期，将指令执行结果写入至对应的寄存器。
2.一种经典及量子混合指令流水线处理装置，其特征在于，包括经典指令处理模块和量子指令处理模块；
所述经典指令处理模块， 用于在指令译码/寄存器提取周期，按照经典指令的原有译码和读取方式进行相应操作；在执行/地址计算周期，利用ALU单元按照经典指令的原处理方式对经典指令进行处理；以及按照经典指令的原访问方式进行指令存储器访问；
所述量子指令处理模块包括：量子寄存器、量子控制单元和量子处理单元；
所述量子寄存器，用于在指令译码/寄存器提取周期，将量子指令解码为量子操作后发送至量子控制单元；
所述量子控制单元，用于在指令译码/寄存器提取周期，将量子操作由数字信号转换为模拟信号；以及用于在测量/存储器访问周期，将测量结果转换为数字信号后写入经典寄存器；
所述量子处理单元，用于在执行/地址计算周期，对量子控制单元输出的模拟信号进行处理以控制不同量子比特上的量子态演化。
3.根据权利要求2所述的一种经典及量子混合指令流水线处理装置，其特征在于，还设置有指令缓存，用于对在指令提取周期内被读取至指令寄存器中的指令进行缓存。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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