Mafunzo Yanayosimamiwa na Mafunzo Yasiyosimamiwa Kwa kuzingatia Awamu Badilisha Mifumo Yote ya Neuron ya Macho

Hivi majuzi, asili ilichapisha utafiti mpya na IBM. Mtandao wa "macho yote" wa kina wa neva uliojengwa kwa vifaa vya macho unaweza kuwa na matumizi bora ya nishati kuliko mbinu za kitamaduni za kompyuta, na una faida za kuongeza kasi, hakuna ubadilishaji wa picha na kipimo data cha juu. Ugunduzi huu unaweza kuweka msingi wa kuibuka kwa kichapuzi cha mtandao wa neva wa macho katika siku zijazo. Fiber ya macho inaweza kusambaza data duniani kote kwa njia ya mwanga, ambayo imekuwa nguzo ya teknolojia ya kisasa ya mawasiliano ya simu. Hata hivyo, ikiwa data hizi za maambukizi zinahitajika kuchambuliwa, zinapaswa kubadilishwa kutoka kwa ishara za macho hadi ishara za elektroniki, na kisha kusindika na vifaa vya elektroniki. Kwa muda fulani, optics ilizingatiwa kama msingi wa teknolojia ya kompyuta yenye uwezo zaidi katika siku zijazo, lakini ikilinganishwa na maendeleo ya haraka ya kompyuta za elektroniki, ushindani wa teknolojia ya kompyuta ya macho hautoshi. Hata hivyo, katika miaka michache iliyopita, sekta hiyo imelipa kipaumbele zaidi na zaidi kwa gharama ya nishati ya kompyuta. Kwa hiyo, mfumo wa kompyuta wa macho umevutia tahadhari zaidi na zaidi tena. Kompyuta ya macho ina matumizi ya chini ya nishati na inaweza kutumika kama maunzi maalum ya kuongeza kasi kwa algoriti za AI, kama vile mtandao wa neva wa kina (DNN). Hivi majuzi, Feldmann na wengine walichapisha maendeleo ya hivi punde ya "utekelezaji huu wote wa mtandao wa macho" katika jarida la Nature.

Mtandao wa kina wa neva unajumuisha niuroni bandia za safu nyingi na sinepsi bandia. Nguvu ya miunganisho hii, inayoitwa uzani wa mtandao, inaweza kuwa chanya, ikionyesha msisimko wa niuroni, au hasi, inayoonyesha kizuizi cha nyuro. Mtandao utajaribu iwezavyo kupunguza tofauti kati ya matokeo halisi na matokeo yanayotarajiwa, ili kubadilisha uzito wa sinepsi kufanya kazi kama vile utambuzi wa picha.CPU na vichapuzi vingine vya maunzi kawaida hutumika kwa ukokotoaji wa DNN. Mafunzo ya DNN yanaweza kutumia seti ya data inayojulikana, na DNN iliyofunzwa inaweza kutumika kukisia data isiyojulikana katika kazi. Ingawa kiasi cha hesabu ni kikubwa, anuwai ya shughuli za hesabu haitakuwa kubwa sana, kwa sababu operesheni ya "kuzidisha na kukusanya" inatawala katika uzani mwingi wa sinepsi na msisimko wa niuroni.DNN bado inaweza kufanya kazi kwa kawaida wakati usahihi wa hesabu uko chini. Kwa hivyo, mitandao ya DNN inawakilisha fursa zinazowezekana kwa teknolojia zisizo za kawaida za kompyuta. Watafiti wanajaribu kuunda kiongeza kasi cha DNN kulingana na vifaa vipya vya kumbukumbu visivyobadilika. Vifaa vya aina hii pia vinaweza kuhifadhi maelezo wakati wa kukata usambazaji wa nishati, na kuboresha kasi na ufanisi wa nishati ya DNN kupitia kompyuta ya kielektroniki ya analogi.

Kwa hivyo kwa nini usifikirie kutumia optics? Vipengee vya mwanga vinavyoelekeza vinaweza kuwa na kiasi kikubwa cha data - iwe nyuzi za macho za mawasiliano ya simu au miongozo ya mawimbi kwenye chip za picha. Katika aina hii ya mwongozo wa mawimbi, teknolojia ya "wavelength division multiplexing" inaweza kutumika kuruhusu mawimbi mengi tofauti ya mwanga kueneza pamoja. Kila urefu wa wimbi unaweza kisha kurekebishwa (kubadilishwa kwa njia ambayo inaweza kubeba habari) kwa kiwango kilichopunguzwa na kipimo data kinachopatikana kinachohusiana na urekebishaji wa elektroni hadi urekebishaji wa macho na utambuzi wa optoelectronic.Mtini. 1 mzunguko wote wa nyuro za mapigo ya machoMatumizi ya vitoa sauti huwezesha kuongezwa au kuondolewa kwa urefu wa wimbi moja, kama vile upakiaji na upakuaji wa lori. Safu ya uzani ya sinepsi ya mtandao wa DNN inaweza kujengwa kwa kutumia resonator ya pete ya micron. Resonator inaweza kuwa moduli ya joto, moduli ya electro-optic, au kubadilishwa na nyenzo za mabadiliko ya awamu. Nyenzo hizi zinaweza kubadili kati ya awamu ya amofasi na awamu ya fuwele, na uwezo wa kunyonya mwanga wa vifaa tofauti hutofautiana sana. Chini ya hali nzuri, matumizi ya nguvu ya kuzidisha na mkusanyiko ni ya chini sana.

Timu ya utafiti ya Feldmann imetekeleza "mtandao wote wa neva wa macho" kwenye chipu ya picha ya milimita, ambapo ubadilishaji wa fotoelectric hautumiki kwenye mtandao. Data ya pembejeo inarekebishwa kielektroniki kwa urefu tofauti wa mawimbi na kuingizwa kwenye mtandao, lakini data yote inabaki kwenye chip. Nyenzo za mabadiliko ya awamu zilizounganishwa hutumiwa kurekebisha uzito wa sinepsi na kuunganisha neurons.Mtini. 2 Uzalishaji wa mapigo ya moyo na uendeshaji wa niuroni bandiaWaandishi wanaonyesha ujifunzaji unaosimamiwa na usiosimamiwa kwa kiwango kidogo - yaani, mafunzo kwa kutumia data iliyo na lebo (DNN kujifunza) na mafunzo kwa kutumia data isiyo na lebo (sawa na kujifunza kwa binadamu).

Mtini. 3 ujifunzaji unaosimamiwa na ujifunzaji usiosimamiwa kulingana na mabadiliko ya awamu mfumo wote wa niuroni za machoKwa sababu usemi wa uzito unatambulika kwa kunyonya mwanga, uzani hasi unahitaji ishara kubwa ya upendeleo, ambayo haiwezi kuwezesha nyenzo za mabadiliko ya awamu. Njia mbadala ni kutumia kifaa cha Mach Zehnder interferometer kugawanya mwongozo wa wimbi moja katika mikono miwili na kisha kuiunganisha tena. Kwa wakati huu, kiasi cha mwanga uliopitishwa hutegemea tofauti ya awamu ya macho kati ya njia mbili za uenezi. Hata hivyo, inaweza kuwa vigumu kuchanganya njia hii na multiplexing ya mgawanyiko wa wavelength, kwa sababu mkono wa kila interferometer inahitaji kuanzisha tofauti ya awamu inayofaa kwa kila urefu wa wimbi.Utekelezaji wote wa macho wa DNN bado unakabiliwa na changamoto kubwa. Kwa hakika, matumizi yao ya jumla ya nguvu yanaweza kuwa ya chini, na nguvu ya thermooptical inahitajika kurekebisha na kudumisha tofauti ya awamu ya macho katika kila mkono wa interferometer ya Mach Zehnder.

Mtini. 4 usanifu unaoweza kupanuka wa mtandao wote wa neva wa machoKwa kuongeza, jumla ya nguvu ya macho inayoingizwa kwenye mfumo iliyo na nyenzo za mabadiliko ya awamu lazima isawazishwe kwa uangalifu ili kufanya mwitikio wa nyenzo kwa mawimbi ya pembejeo kukidhi matarajio. Ingawa nyenzo za mabadiliko ya awamu zinaweza pia kutumika kurekebisha awamu ya Mach Zehnder, kutakuwa na muunganisho wa msalaba usioepukika kati ya ukubwa wa mwanga unaofyonzwa na nyenzo na kupunguza kasi ya mwanga, ambayo itaongeza utata wa mfumo. DNN ya jadi imetengeneza kwa kiwango kikubwa, ambacho kinaweza kuwa na maelfu ya niuroni na mamilioni ya sinepsi. Hata hivyo, miongozo ya mawimbi ya mitandao ya fotoni inapaswa kuwa mbali na kila mmoja ili kuzuia kuunganishwa na kuepuka kupinda kwa makali ili kuzuia mwanga kutoka kwa mwongozo wa mawimbi. Kwa sababu makutano ya miongozo miwili ya mawimbi inaweza kuingiza nguvu zisizohitajika kwenye njia isiyo sahihi, ambayo inapunguza kwa kiasi kikubwa sifa za 2D za muundo wa chipu za picha.

Mtini. 5 Utekelezaji wa majaribio wa mtandao wa neva wa safu moja ya mapigo ya moyoInachukua umbali mrefu na eneo kubwa ili kujenga mtandao wa neva wa vifaa vya macho, lakini utengenezaji wa sehemu muhimu za kila muundo wa macho unahitaji usahihi wa juu. Hii ni kwa sababu mwongozo wa mawimbi na eneo la kuunganisha, kama vile sehemu ya kuingilia na kutoka kwa kila kipaza sauti cha microring, lazima kifikie ukubwa kamili unaohitajika kwa ajili ya utendakazi wa mtandao unaolingana. Pia kuna vikwazo vingi vya jinsi ya kutengeneza resonators ndogo za microring. Hatimaye, teknolojia ya modulation hutoa athari dhaifu ya macho na inahitaji eneo la mwingiliano wa muda mrefu ili kufikia kiwango kikubwa cha ushawishi mdogo kwenye mwanga unaopita.

Maendeleo yaliyopatikana katika utafiti wa timu ya Feldmann yanatarajiwa kukuza maendeleo ya baadaye ya uwanja huu. Utafiti huu unaweza kuweka msingi wa kuibuka kwa vichapuzi vya mtandao wa neva vinavyotumia nishati vizuri na viwezavyo kuwa mbaya katika siku zijazo.