XOR valolla ja yksittäisen transistorin neuronissa

Täysoptinen kytkin voisi hyödyntää valoa ohjaamaan kuituoptisen liikenteen valosignaaleja ilman sähköisiä muunnoksia, mikä säästää sekä aikaa että energiaa.

Michiganin yliopiston johtama tutkimusryhmä on esittelyt ultranopean täysoptisen kytkimen pulssittamalla ympyräpolarisoitua valoa, joka kiertyy kuin heliksi, optisen ontelon läpi, joka on vuorattu ultraohuella puolijohteella.

Kytkin voisi toimia tavallisena optisena kytkimenä, mutta myös eräänlaisena loogisena porttina nimeltä Exclusive OR (XOR) -kytkimenä, joka tuottaa lähtösignaalin, kun valotulo kiertyy myötäpäivään ja toinen vastapäivään, mutta ei, kun molemmat tulot ovat samat.

"Koska kytkin on kaikkien tietojenkäsittely-yksiköiden alkeellisin rakennuspalikka, täysoptinen kytkin on ensimmäinen askel kohti täysin optista laskentaa tai optisten neuroverkkojen rakentamista", sanoo Lingxiao Zhou, UM:n fysiikan tohtoriopiskelija ja tutkimusjulkaisun johtava kirjoittaja.

Optisen tietojenkäsittelyn pieni häviö tekee siitä haluttavamman kuin elektronisen tietojenkäsittelyn.

Aivojen neuroneilla on paljon kehittyneempiä ja tehokkaampia tiedonkäsittelykykyjä kuin yksinkertaisilla integraattoreilla, joita yleisesti mallinnetaan neuromorfisessa laskennassa. Biologinen neuroni voi itse asiassa suorittaa tehokkaasti Boolen algebran, mukaan lukien lineaariset ei-separable-operaatiot.

Perinteiset logiikkapiirit vaativat tusinan verran transistoria yhdistettynä EI-, JA- ja TAI-portteina XOR:n toteuttamiseen. Ilman biologista osaamista keinotekoiset neuroverkot vaativat monikerroksisia ratkaisuja XOR-toiminnan harjoittamiseen.

Zhejiangin ja Shanghain yliopistojen tutkijat ovat puolestaan kehittäneet yksittäisen transistorineuronin, joka hyödyntää grafeenin luontaista ambipolaarisuutta ja ionifilamenttidynamiikkaa, mahdollistaakseen uudelleenkonfiguroida useita Boolen operaatioita ultrakompaktissa rakenteessa.

Hyödyntämällä syötteiden tulojen avaruusajallista integraatiota biorealistisesta piikityksestä riippuvainen Boolen-laskenta on realisoitu täysimittaisesti tavalla joka kilpailee ihmisaivojen tehokkuuden kanssa.

Lisäksi on demonstroitu softa-XOR-perustainen neuroverkko algoritmin ja piiritekniikan yhteissuunnittelun kautta, jolla saavutettu huomattavaa suorituskyvyn parannusta.

Näiden löydösten odotetaan olevan lähtökohta kehittyneemän laskennan toteuttamiselle yksittäisten neuronitransistorien tasolla, mikä johtaa superskaalautuviin neuroverkkoihin resurssitehokasta aivojen inspiroimaa tiedonkäsittelyä varten.

Aiheesta aiemmin:

Logiikkaa optiselle laskennalle

Monipuolistuvat transistorit