Бүх оптик мэдрэлийн системийн фазын өөрчлөлт дээр суурилсан хяналттай сургалт ба хяналтгүй сургалт

Саяхан байгаль IBM-ийн шинэ судалгааг нийтэлжээ. Оптик төхөөрөмжөөр бүтээгдсэн "бүх оптик" гүн мэдрэлийн сүлжээ нь уламжлалт тооцооллын аргуудаас илүү эрчим хүчний хэмнэлттэй бөгөөд өргөтгөх боломжтой, фотоэлектрик хувиргалтгүй, өндөр зурвасын өргөн зэрэг давуу талтай. Энэхүү нээлт нь ирээдүйд оптик мэдрэлийн сүлжээний хурдасгуур бий болох үндэс суурийг тавьж магадгүй юм.Оптик шилэн утас нь гэрлийн хэлбэрээр дэлхий даяар өгөгдлийг дамжуулах боломжтой бөгөөд энэ нь орчин үеийн харилцаа холбооны технологийн тулгуур болсон юм. Гэсэн хэдий ч эдгээр дамжуулалтын өгөгдлийг шинжлэх шаардлагатай бол тэдгээрийг оптик дохионоос электрон дохио болгон хувиргаж, дараа нь электрон төхөөрөмжөөр боловсруулна. Хэсэг хугацааны турш оптикийг ирээдүйн хамгийн боломжит тооцоолох технологийн үндэс гэж үздэг байсан ч цахим компьютерийн хурдацтай дэвшилттэй харьцуулахад оптик тооцооллын технологийн өрсөлдөх чадвар хангалтгүй байгаа нь ойлгомжтой.Гэхдээ сүүлийн хэдэн жилд энэ салбар эрчим хүчний тооцооллын зардалд улам их анхаарал хандуулж байна. Тиймээс оптик тооцооллын систем улам бүр анхаарал татаж байна. Оптик тооцоолол нь эрчим хүчний хэрэглээ багатай бөгөөд гүн мэдрэлийн сүлжээ (DNN) гэх мэт хиймэл оюун ухааны алгоритмуудад тусгай хурдатгалын техник хэрэгсэл болгон ашиглаж болно. Саяхан Фельдманн болон бусад хүмүүс энэхүү "бүх оптик сүлжээний хэрэгжилт"-ийн хамгийн сүүлийн үеийн дэвшлийг Nature сэтгүүлд нийтлэв.

Гүн мэдрэлийн сүлжээнд олон давхаргат хиймэл мэдрэлийн эсүүд болон хиймэл синапсууд орно. Сүлжээний жин гэж нэрлэгддэг эдгээр холболтын хүч нь эерэг байж болох бөгөөд энэ нь мэдрэлийн эсийн өдөөлтийг илтгэнэ, эсвэл мэдрэлийн эсийн дарангуйллыг илтгэнэ сөрөг байна. Сүлжээ нь бодит гаралт болон хүлээгдэж буй гаралтын хоорондох ялгааг багасгахын тулд чадах бүхнээ хийх бөгөөд ингэснээр дүрс таних зэрэг ажлыг гүйцэтгэхийн тулд синапсуудын жинг өөрчлөх болно. CPU болон бусад техник хангамжийн хурдасгуурыг ихэвчлэн DNN тооцоололд ашигладаг. DNN-ийн сургалт нь мэдэгдэж буй өгөгдлийн багцыг ашиглах боломжтой бөгөөд бэлтгэгдсэн DNN нь даалгаврын үл мэдэгдэх өгөгдлийг гаргахад ашиглаж болно. Тооцооллын хэмжээ их байгаа хэдий ч "үржүүлэх, хуримтлуулах" үйл ажиллагаа нь олон синаптик жин, мэдрэлийн өдөөлтөд давамгайлж байгаа тул тооцооллын үйл ажиллагааны олон янз байдал нь тийм ч өндөр биш байх болно. DNN нь тооцооллын нарийвчлал бага үед хэвийн ажиллах боломжтой хэвээр байна. Тиймээс DNN сүлжээ нь уламжлалт бус тооцоолох технологийн боломжит боломжуудыг төлөөлдөг. Судлаачид шинэ тогтворгүй санах ойн төхөөрөмжүүд дээр суурилсан DNN хурдасгуур бүтээхийг оролдож байна. Энэ төрлийн төхөөрөмж нь эрчим хүчний хангамжийг таслах үед мэдээллийг хэмнэж, аналог электрон тооцоололоор дамжуулан DNN-ийн хурд, эрчим хүчний үр ашгийг дээшлүүлэх боломжтой.

Тэгэхээр яагаад оптик ашиглах талаар бодож болохгүй гэж? Гэрлийн чиглүүлэгч бүрэлдэхүүн хэсгүүд нь харилцаа холбооны оптик утас эсвэл фотоник чип дээрх долгионы хөтлүүр эсэхээс үл хамааран их хэмжээний өгөгдлийг агуулж болно. Ийм долгионы хөтлүүрүүдэд "долгионы уртыг хуваах" технологийг ашиглан олон янзын долгионы урттай гэрлийг хамтдаа тараах боломжтой. Дараа нь долгионы урт бүрийг оптик модуляц болон оптоэлектроник илрүүлэх электронтой холбоотой боломжит зурвасын өргөнөөр хязгаарласан хурдаар модуляцлах боломжтой (мэдээлэл зөөвөрлөх байдлаар өөрчлөх боломжтой).Зураг. 1 бүх оптик импульсийн нейроны хэлхээ Резонаторыг ашиглах нь ачааны машиныг ачих, буулгахтай адил нэг долгионы уртыг нэмэх эсвэл хасах боломжийг олгодог. DNN сүлжээний синаптик жингийн массивыг микрон цагираган резонатор ашиглан байгуулж болно. Резонаторыг дулааны модуляцтай, цахилгаан оптикийн модуляцтай эсвэл фазын өөрчлөлтийн материалаар зохицуулж болно. Эдгээр материалууд нь аморф фаз ба талст фазын хооронд шилжих боломжтой бөгөөд янз бүрийн материалын гэрлийг шингээх чадвар нь ихээхэн ялгаатай байдаг. Тохиромжтой нөхцөлд үржүүлэх, хуримтлуулах эрчим хүчний хэрэглээ маш бага байдаг.

Фельдманы судалгааны баг фотоэлектрик хувиргалтыг сүлжээнд ашигладаггүй миллиметрийн фотоник чип дээр "бүх оптик мэдрэлийн сүлжээ"-ийг хэрэгжүүлсэн. Оролтын өгөгдөл нь өөр өөр долгионы уртад электроноор модуляцлагдаж, сүлжээнд цацагдах боловч дараа нь бүх өгөгдөл чип дээр үлддэг. Нэгдсэн фазын өөрчлөлтийн материалыг синаптик жинг тохируулах, нейроныг нэгтгэхэд ашигладаг.Зураг. 2 импульс үүсгэх ба хиймэл мэдрэлийн үйл ажиллагаа Зохиогчид хяналттай болон хараа хяналтгүй сургалтыг бага хэмжээгээр, өөрөөр хэлбэл шошготой өгөгдөл (DNN суралцах) ашиглан сургалт, шошгогүй өгөгдөл ашиглан сургалтыг (хүний ​​суралцахтай адил) харуулж байна.

Зураг. 3 фазын өөрчлөлт дээр суурилсан хяналттай суралцах ба хяналтгүй суралцах бүх оптик мэдрэлийн систем Жингийн илэрхийлэл нь гэрлийн шингээлтээр тодорхойлогддог тул сөрөг жин нь илүү том хэвийсэн дохио шаарддаг бөгөөд энэ нь фазын өөрчлөлтийн материалыг идэвхжүүлж чадахгүй. Өөр нэг арга бол Мах Зендер интерферометрийн төхөөрөмжийг ашиглан нэг долгионы дамжуулагчийг хоёр гарт хувааж, дараа нь дахин нэгтгэх явдал юм. Энэ үед дамжуулсан гэрлийн хэмжээ нь тархалтын хоёр замын хоорондох оптик фазын ялгаанаас хамаарна. Гэсэн хэдий ч интерферометр бүрийн гар нь долгионы урт бүрт тохирох фазын зөрүүг нэвтрүүлэх шаардлагатай байдаг тул энэ аргыг долгионы уртыг хуваахтай хослуулах нь хэцүү байж болох юм. DNN-ийн бүх оптик хэрэгжилт томоохон сорилтуудтай тулгарсаар байна. Хамгийн тохиромжтой нь тэдний нийт эрчим хүчний хэрэглээ бага байж болох бөгөөд Mach Zehnder интерферометрийн гар тус бүрийн оптик фазын зөрүүг тохируулах, хадгалахын тулд термооптик хүч ихэвчлэн шаардлагатай байдаг.

Зураг. 4 Бүх оптик мэдрэлийн сүлжээний өргөтгөх боломжтой архитектур Үүнээс гадна фазын өөрчлөлтийн материалыг агуулсан системд оруулсан нийт оптик хүчийг оролтын дохионд үзүүлэх хариу урвалыг хүлээлтэд нийцүүлэхийн тулд сайтар тохируулсан байх ёстой. Хэдийгээр фазын өөрчлөлтийн материалыг Mach Zehnder-ийн үе шатыг тохируулахад ашиглаж болох ч материалд шингэсэн гэрлийн эрч хүч болон гэрлийн хурдыг удаашруулах хоёрын хооронд зайлшгүй хөндлөн холболт үүсэх бөгөөд энэ нь системийн нарийн төвөгтэй байдлыг нэмэгдүүлэх болно. Уламжлалт DNN-ийг боловсруулсан. олон мянган нейрон, сая сая синапс агуулсан байж болох том хэмжээний. Гэсэн хэдий ч фотоник сүлжээний долгионы хөтлүүрүүд хоорондоо хол зайд байх ёстой бөгөөд гэрлийг долгионы хөтлүүрээс гарахаас сэргийлж, хурц гулзайлтаас зайлсхийх хэрэгтэй. Учир нь хоёр долгионы хөтлүүрийн огтлолцол нь буруу зам руу хүсээгүй хүчийг оруулж болох бөгөөд энэ нь фотоник чипийн дизайны 2D шинж чанарыг ихээхэн хязгаарладаг.

Зураг. 5 Нэг давхаргат импульсийн мэдрэлийн сүлжээний туршилтын хэрэгжилт Оптик төхөөрөмжүүдэд зориулсан мэдрэлийн сүлжээг бий болгоход урт зай, том талбай шаардагдах боловч оптик бүтэц бүрийн гол хэсгүүдийг үйлдвэрлэхэд өндөр нарийвчлал шаардагдана. Учир нь микро цагираган резонатор бүрийн оролт, гаралт гэх мэт долгион хөтлүүр ба холболтын бүс нь холбогдох сүлжээний гүйцэтгэлд шаардагдах яг хэмжээтэй байх ёстой. Жижиг микроринг резонаторуудыг хэрхэн үйлдвэрлэх талаар олон хязгаарлалтууд байдаг. Эцэст нь модуляцын технологи нь сул оптик нөлөө үзүүлдэг бөгөөд дамжин өнгөрөх гэрэлд хязгаарлагдмал нөлөө үзүүлэхийн тулд урт харилцан үйлчлэлийн бүсийг шаарддаг.

Фельдманы багийн судалгаанд гарсан ахиц дэвшил нь энэ салбарын цаашдын хөгжилд түлхэц болно гэж үзэж байна. Энэхүү судалгаа нь ирээдүйд эрчим хүчний хэмнэлттэй, өргөтгөх боломжтой оптик мэдрэлийн сүлжээний хурдасгууруудыг бий болгох үндэс суурийг тавьж магадгүй юм.