研究人員開發(fā)了一種易于使用的光學(xué)芯片，可以自我配置實(shí)現(xiàn)多種功能。他們實(shí)現(xiàn)的正實(shí)值矩陣計(jì)算使芯片具有應(yīng)用于需要光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用程序的潛力。光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可用于各種數(shù)據(jù)密集型任務(wù)，如圖像分類、手勢(shì)解釋和語(yǔ)音識(shí)別。

此前已經(jīng)開發(fā)出可以在制造后重新配置以執(zhí)行不同功能的光子集成電路。然而，它們往往難以配置，因?yàn)橛脩粜枰�了解芯片的�?nèi)部結(jié)構(gòu)和原理，并單獨(dú)調(diào)整其基本單元。

華中科技大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人董建績(jī)說：“我們的新芯片可以被視為一個(gè)黑盒子，這意味著用戶不需要了解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)就可以改變其功能。他們只需要設(shè)定一個(gè)訓(xùn)練目標(biāo)，在計(jì)算機(jī)控制下，芯片將自我配置，以實(shí)現(xiàn)基于輸入和輸出的預(yù)期功能�！�

在《光學(xué)材料快報(bào)》雜志上，研究人員描述了他們的新芯片，該芯片基于一種名為馬赫-曾德爾干涉儀(MZI)的波導(dǎo)光學(xué)組件網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)以四邊形模式排列。研究人員表明，該芯片可以自我配置，以執(zhí)行光路由、低損耗光能分裂和用于創(chuàng)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的矩陣計(jì)算。

董教授說：“在未來(lái)，我們預(yù)計(jì)將實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模的片上可編程波導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)。隨著進(jìn)一步的發(fā)展，它可能會(huì)實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)相媲美的光學(xué)功能——在制造后可以重新編程以執(zhí)行任何所需應(yīng)用的電子集成電路�！�

創(chuàng)建可編程MZI網(wǎng)絡(luò)

芯片上的四邊形MZI網(wǎng)絡(luò)可能對(duì)涉及光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用有用，這些網(wǎng)絡(luò)是由相互連接的節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建的。為了有效地使用光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)必須使用已知數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，以確定每對(duì)節(jié)點(diǎn)之間的權(quán)重-這項(xiàng)任務(wù)涉及矩陣乘法。

董教授說：“片上矩陣操作通常使用前向傳播MZI網(wǎng)絡(luò)或微環(huán)陣列來(lái)實(shí)現(xiàn)。受電子學(xué)中FPGA的啟發(fā)，我們希望使用MZI拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，允許矩陣操作的前饋和反饋傳播。”

他們開發(fā)的芯片可以通過調(diào)整電極的電壓來(lái)重新配置，這在四邊形網(wǎng)絡(luò)中創(chuàng)建了各種光傳播路徑。研究人員集成了一種梯度下降算法來(lái)加快代價(jià)函數(shù)的收斂速度，該函數(shù)在每次訓(xùn)練迭代中衡量網(wǎng)絡(luò)的準(zhǔn)確性。

在每次訓(xùn)練迭代后，芯片更新所有可調(diào)電極的電壓-而不是單一變量的值-這進(jìn)一步提高了代價(jià)函數(shù)的收斂速度。這些改進(jìn)有助于使訓(xùn)練過程更快。

實(shí)現(xiàn)各種功能

研究人員表明，該芯片可以用于執(zhí)行所謂的正實(shí)矩陣計(jì)算，首次驗(yàn)證了在四邊形MZI網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行這種計(jì)算的可行性。芯片的訓(xùn)練結(jié)果與目標(biāo)矩陣之間的誤差很小。

他們還展示了具有高消光比的光路由——正實(shí)矩陣計(jì)算的一個(gè)特例。光路由可以在數(shù)據(jù)中心的處理器和存儲(chǔ)單元等設(shè)備之間有效地路由光信號(hào)。與電子方法相比，在處理大量信號(hào)時(shí)，光路由有助于減少延遲和功耗。

此外，該芯片還用于低損耗光功率分裂，將單個(gè)輸入光分裂成在其輸出端口具有比例能量的光束。對(duì)11個(gè)測(cè)試集結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析表明，分裂過程中的能量損失保持在1.16 dB以下。低損耗光能分裂可用于將信號(hào)發(fā)送到芯片上的不同組件，如處理器和光電探測(cè)器。這有助于同時(shí)處理輸入信號(hào)。

研究人員現(xiàn)在正在努力改進(jìn)芯片，以便實(shí)現(xiàn)更多的矩陣運(yùn)算能力。他們還希望探索將其用于光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之外的矩陣計(jì)算的其他應(yīng)用。

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https://doi.org/10.1364/OME.499408