На пути к высокому

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 1260 (2023) Цитировать эту статью

5246 Доступов

1 Цитаты

4 Альтметрика

Подробности о метриках

Мы предлагаем блок фотонной обработки для аналоговых вычислений высокой плотности с использованием микрокольцевых модуляторов на основе модуляции интенсивности (IM-MRM). Выходной сигнал с фиксированной резонансной длиной волны напрямую модулируется по интенсивности путем изменения коэффициента затухания (ER) IM-MRM. Благодаря подходу с модуляцией интенсивности предлагаемый блок фотонной обработки менее чувствителен к межканальным перекрестным помехам. Результаты моделирования показывают, что предлагаемая конструкция обеспечивает максимальное 17-кратное увеличение плотности каналов по сравнению с ее аналогом с модуляцией длины волны. Следовательно, фотонное тензорное ядро ​​размером 512 \(\times \) 512 может быть реализовано с помощью существующих литейных линий. Для решения задачи распознавания рукописных цифр с использованием предложенного модулятора создан симулятор сверточной нейронной сети (CNN) с 6-битной точностью. Результаты моделирования показывают общую точность 96,76%, когда расстояние между длинами каналов страдает от потери мощности на 3 дБ. Для экспериментальной проверки системы выполняется 1000 операций скалярного произведения с 4-битной системой со знаком на совместно упакованном фотонном чипе, где оптические и электрические вводы-выводы реализуются с использованием методов фотонного и электрического соединения проводов. Исследование результатов измерений показывает среднеквадратичную ошибку (MSE) 3,09\(\times \)10\(^{-3}\) для вычислений скалярного произведения. Таким образом, предлагаемый IM-MRM позволяет решить проблему перекрестных помех и обеспечивает решение для разработки крупномасштабных систем оптической обработки информации с несколькими длинами волн.

Вычислительные требования и затраты энергии быстро возросли, чтобы либо обрабатывать экспоненциально увеличивающиеся данные, генерируемые сверхвысокоскоростными мобильными сетями, либо удовлетворять спрос на ускорение искусственного интеллекта 1. Однако современные электронные процессоры, которые были разработаны с поразительно быстрым прогрессом в последние десятилетия, приближаются к своему пределу роста, подчиняющемуся закону Мура. Можно предвидеть, что если прогресс продолжится по нынешнему пути, эти вычислительные требования быстро станут непомерно высокими с технической и экономической точки зрения. 2. Фотонные платформы рассматривались как идеальные кандидаты для аналоговой обработки сигналов оптической связи, обеспечивая основу для нового класса информации. обрабатывающие машины 3. По сравнению с электрическими аналогами фотонные схемы имеют свои основные преимущества: оптическими сигналами, движущимися со скоростью света, можно манипулировать с помощью модуляции передачи, они испытывают меньшее затухание и выделяют меньше тепла в зависимости от расстояния. 3. Многие оптические устройства для конкретных приложений процессоры были использованы для решения математических задач 4,5 и обработки сигналов 6,7 с повышением производительности на порядки.

Интегрированная фотоника привлекла огромное внимание благодаря своей способности генерировать, манипулировать и обнаруживать оптические сигналы на одном кристалле. Используя фотонные интегральные схемы (PIC), изготовленные с использованием процессов, совместимых с КМОП, можно создавать миниатюрные системы фотонной обработки с высокой производительностью и низкой стоимостью. В зависимости от требований к источнику света системы фотонной обработки можно разделить на две категории: когерентные архитектуры и многоволновые архитектуры. Для когерентной архитектуры когерентный входной свет используется в массиве светоделителей и фазовращателей для выполнения матричных преобразований с использованием интерференции между различными путями. 3. Сетка на основе интерферометра Маха-Цендера (MZI) является доминирующей сетью линейной фотонной обработки с когерентные входные сигналы. Это хорошо изученная и зрелая архитектура для умножения матриц в вычислительных системах, включая приложения в оптических нейронных сетях 8,9, моделировании квантового транспорта 10, реконфигурируемых оптических линиях задержки 11 и разложении по сингулярным значениям 12. Однако когерентные оптические межсоединения проявляют чувствительность к оптическая фаза, которая требует калибровки после каждого слоя 13 сетки MZI. Кроме того, поскольку когерентные архитектуры требуют одного эталона оптической фазы, можно использовать только один лазерный источник. Это требовало от лазера генерации высокой оптической мощности, достаточной для всей системы. В отличие от когерентных систем, многоволновые архитектуры используют некогерентные сигналы, генерируемые отдельными источниками света на разных длинах волн или одним источником, который создает несколько длин волн для переноса и обработки информации. Используя мультиплексирование с разделением по длине волны (WDM), каждый входной сигнал представляет собой аналоговую оптическую мощность на заданной длине волны, обрабатываемую параллельно группой модуляторов.