Research Abstract


High-performance parallel computing for next-generation holographic imaging

2018年4月17日 Nature Electronics 1 : 254 doi: 10.1038/s41928-018-0057-5


ホログラフィは三次元(3D)画像を記録し再生する方法である。コンピュータの普及により、ホログラフィを用いた3D映像システム(エレクトロホログラフィ)の開発が進められるようになったが、実用化には至っていない。理由は、ホログラムには膨大な量のデータが必要であり、現状の計算パワーではこれだけ大量のデータを実時間で処理することができないからである。我々は今回、8個の大規模フィールド・プログラマブル・ゲートアレイを用いたホログラフィ専用計算ボードを開発して、ビデオフレームレートで更新できる10 8ピクセルのホログラムを生成した。我々のシステムでは、4,480のホログラム計算回路を単一ボード上で並列動作させることができ、このボードを8枚クラスター化して並列計算数を35,840まで増やすことができる。我々は、7,877 点からなる3D画像を使用して、108ピクセルのホログラムをビデオレートで更新することができ、3Dムービーを投影できることを示す。並列回路の数を増やすと、これに比例してシステムの速度が増加することも実証する。システムは0.25 GHzで動作するが、これは0.5 ペタフロップス(1ペタフロップスは毎秒1015回の浮動小数点演算が可能)に相当する速度であり、高性能コンピュータに匹敵する。

Takashige Sugie, Takanori Akamatsu, Takashi Nishitsuji, Ryuji Hirayama, Nobuyuki, Masuda, Hirotaka, NakayamaYasuyuki, Ichihashi, Atsushi Shiraki, Minoru Oikawa, Naoki Takada, Yutaka Endo, Takashi Kakue, Tomoyoshi Shimobaba and Tomoyoshi Ito

Corresponding Author

伊藤 智義

Holography is a method of recording and reproducing three-dimensional (3D) images, and the widespread availability of computers has encouraged the development of holographic 3D screens (electroholography). However, the technology has not yet been used in practical applications because a hologram requires an enormous volume of data and modern computing power is inadequate to process this volume of data in real time. Here, we show that a special-purpose holography computing board, which uses eight large-scale field-programmable gate arrays, can be used to generate 108-pixel holograms that can be updated at a video frame rate. With our approach, we achieve a parallel operation of 4,480 hologram calculation circuits on a single board, and by clustering eight of these boards, we can increase the number of parallel calculations to 35,840. Using a 3D image composed of 7,877 points, we show that 108-pixel holograms can be updated at a video rate, thus allowing 3D movies to be projected. We also demonstrate that the system speed scales up in a linear manner as the number of parallel circuits is increased. The system operates at 0.25 GHz with an effective speed equivalent to 0.5 petaflops (1015 floating-point operations per second), matching that of a high-performance computer.