Uusi ulottuvuus optisessa laskennassa

Konvoluutioneuroverkot (CNN) perustuvat vahvasti matriisi-vektorikertolaskuun (MVM), mutta useimmat olemassa olevat fotoniset MVM-sirut käyttävät vain yhtä tai kahta optista vapausastetta (DoF), mikä rajoittaa niiden rinnakkaisuutta ja joustavuutta.

Nyt professorien Daoxin Dain ja Yiwei Xien johtama Zhejiangin yliopiston ryhmä on kehittänyt ensimmäisen fotonisen arkkitehtuurin, joka hyödyntää samanaikaisesti kolmea valon perustavanlaatuista vapausastetta: aallonpituutta, moodia ja polarisaatiota.

Tutkijoiden kehittämä integroitu piifotonipiiri yhdistää 32 aallonpituuskanavaa, kolme ohjattua spatiaalista moodia (TE₀, TE₁, TE₂ ja niiden TM-vastineet) ja kaksoispolarisaatioita, jolloin saadaan yhteensä 192 rinnakkaista laskentakanavaa.

Tämä saavutetaan kuusikanavaisella hybridillä moodi/polarisaatio (de)multiplekserillä ja 6×32 elliptisen muotoisella mikrorengasresonaattorien (EMR) ryhmällä, jotka painottavat itsenäisesti kutakin kanavaa. EMR:illä on pieni häviö (1–2 dB) ja noin 20 dB:n vaimennussuhde matalalla viritysjännitteellä (1 V).

Toisin kuin perinteiset elektroniset "pienet mutta syvät" strategiat (esim. 3×3-ytimien pinoaminen), fotonisiru tukee natiivisti suuria ja dynaamisesti säädettäviä ytimiä jopa 13×13:een asti. Yhdistämällä valikoivasti eri aallonpituus-, moodi- ja polarisaatiokanavia sama laitteisto voi suorittaa 3×3-, 5×5-, 7×7- tai jopa 13×13-konvoluutioita ilman fyysistä uudelleenkonfigurointia.

Tiimi testasi sirua kuvan kohinanpoiston osalta käyttäen pientä konvoluutiokooderi-dekooderiverkkoa. Gaussisen kohinan alla 3×3-ydin antoi parhaan huippusignaali-kohinasuhteen (PSNR 20,20 dB); strukturoidun raitakaiunan alla 7×7-ydin suoriutui parhaiten (PSNR 16,67 dB). Nämä tulokset vahvistavat, että ytimen moniskaalakonfiguroitavuus on välttämätöntä erilaisiin kohinaominaisuuksiin sopeutumiseksi – ominaisuus, jonka sirun 192-ulotteinen multipleksointi mahdollistaa suoraan.

40 Gbaudin modulaatiolla toimiva siru saavuttaa mitatun 15,36 teraoperaation läpäisykyvyn sekunnissa (TOPS), laskettuna kaavalla 2 (polarisaatiot) × 6 (moodit) × 32 (aallonpituudet) × 40 Gbaudia.

Läpäisykykyä voidaan edelleen lisätä käyttämällä nopeampia modulaattoreita tai lisäämällä optisia kanavia. Arkkitehtuuri on täysin yhteensopiva piifotoniikan standardin valmistuksen kanssa.

Tämä työ osoittaa ensimmäistä kertaa, että aallonpituus, moodi ja polarisaatio voidaan hyödyntää samanaikaisesti erittäin rinnakkaisessa sirulla toimivassa optisessa laskennassa.

Ehdotettu siru tarjoaa lupaavan polun kohti pienilatenssisia, energiatehokkaita optisia prosessoreita reunalaskentaan, reaaliaikaiseen näkemiseen ja seuraavan sukupolven tekoälyjärjestelmiin, jotka vaativat erittäin tarkkaa visuaalista prosessointia.

Aiheesta aiemmin:

Optista rinnakkaisprosessointia sadalla aallonpituudella

Asynkroninen optinen kiihdytinsiru

Valoon perustuva konvoluutiolaskenta sirulle