高みに向かって

Scientific Reports volume 13、記事番号: 1260 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

我々は、強度変調ベースのマイクロリング変調器（IM-MRM）を使用した高密度アナログ計算用のフォトニック処理ユニットを提案します。 固定共振波長の出力信号は、IM-MRM の消光比 (ER) を変更することによって直接強度変調されます。 強度変調アプローチのおかげで、提案されたフォトニック処理ユニットはチャネル間クロストークの影響を受けにくくなります。 シミュレーションの結果、提案された設計は、波長変調された対応するものと比較して、波長チャネル密度が最大 17 倍増加することが明らかになりました。 したがって、サイズ 512 \(\times \) 512 のフォトニック テンソル コアは、現在の鋳造ラインで実現できます。 提案された変調器を使用して、手書き数字認識タスク用に 6 ビット精度の畳み込みニューラル ネットワーク (CNN) シミュレーターが構築されます。 シミュレーション結果は、波長チャネル間隔に 3 dB のパワー ペナルティが発生した場合、全体の精度が 96.76% であることを示しています。 システムを実験的に検証するために、同時パッケージ化されたフォトニック チップ上の 4 ビット符号付きシステムを使用して 1000 個のドット積演算が実行されます。ここでは、光および電気ワイヤ ボンディング技術を使用して光および電気 I/O が実現されます。 測定結果を検討すると、内積計算の平均二乗誤差 (MSE) は 3.09\(\times \)10\(^{-3}\) であることがわかりました。 したがって、提案された IM-MRM はクロストークの問題を扱いやすくし、複数の波長を備えた大規模な光情報処理システムの開発にソリューションを提供します。

超高速モバイル ネットワークによって生成される指数関数的に増加したデータを処理するため、または加速する人工知能 1 の需要に対処するために、計算要件とエネルギー消費が急速に増大しています。過去数十年間で驚くべき急速な進歩を遂げた企業は、ムーアの法則に従う成長の限界に近づきつつあります。 現在の路線に沿って進歩が続けば、これらの計算要件は技術的にも経済的にも急速に法外なものになることが予測できます 2. フォトニック プラットフォームは、光通信信号のアナログ処理の理想的な候補とみなされており、新しい種類の情報のフレームワークを提供します。 3. 電気的な対応物と比較して、フォトニック回路には大きな利点があります。光の速度で伝わる光信号は伝送変調によって操作でき、減衰が少なく、距離に応じて発生する熱も少なくなります。プロセッサは、数桁向上したパフォーマンスで数学 4、5 および信号処理 6、7 タスクを処理するために活用されています。

統合フォトニクスは、単一チップ上で光信号を生成、操作、検出できる機能により、多大な注目を集めています。 CMOS 互換プロセスを使用して製造されたフォトニック集積回路 (PIC) を活用すると、高歩留まりかつ低コストで小型のフォトニック処理システムを構築できます。 光源の要件に応じて、フォトニック処理システムは、コヒーレント アーキテクチャと多波長アーキテクチャの 2 つのカテゴリに分類できます。 コヒーレント アーキテクチャの場合、コヒーレント入力光はビーム スプリッタと位相シフタのアレイで使用され、異なるパス間の干渉を使用してマトリックス変換を実行します 3。マッハ ツェンダー干渉計ベース (MZI) メッシュは、主要な線形フォトニック処理ネットワークです。コヒーレントな入力信号。 これは、光ニューラル ネットワーク 8、9、量子輸送シミュレーション 10、再構成可能な光遅延線 11、特異値分解 12 でのアプリケーションを含む、計算システムにおける行列乗算のための十分に研究され成熟したアーキテクチャです。ただし、コヒーレント光インターコネクトは、さらに、コヒーレントアーキテクチャは単一の光位相基準を必要とするため、単一の光源レーザのみを使用することができる。 これには、システム全体に十分な高い光出力をレーザーが生成する必要がありました。 コヒーレント システムとは対照的に、多波長アーキテクチャでは、異なる波長の個々の光源、または複数の波長を生成する単一の光源によって生成されたインコヒーレント信号を使用して、情報を伝送および処理します。 波長分割多重 (WDM) を利用して、各入力信号は、変調器のバンクによって並列処理される特定の波長のアナログ光パワーです。