Siliciumchip implementeert op licht gebaseerd neuraal netwerk voor snellere, energiezuinige signaalverwerking

• Onderzoekers hebben een siliciumchip gemaakt die het lichtsignaal nauwkeurig verspreidt, wat een nieuw neuraal netwerkontwerp aantoont. 
• Het licht elimineert interferentie veroorzaakt door elektrische lading en kan sneller en verder reizen. 

Het ontwikkelen van energie-efficiënte en zeer compacte interconnecties is een belangrijk onderzoeksdoel voor geïntegreerde fotonica geweest. Ze hebben een breed scala aan toepassingen, waaronder effectieve telecommunicatie en cross-chipcommunicatie met hoge bandbreedte in CMOS-apparaten.

Veel wetenschappers over de hele wereld werken aan kunstmatige neurale netwerkcircuits om het menselijk brein na te bootsen. De traditionele elektrische bedrading van halfgeleidercircuits is echter niet in staat om de uiterst complexe routering aan te kunnen die nodig is voor geavanceerde neurale netwerken.

Onlangs hebben wetenschappers van het National Institute of Standards and Technology een siliciumchip ontwikkeld die optische signalen nauwkeurig verspreidt over een klein breinachtig raster, wat een nieuw neuraal netwerkontwerp demonstreert.

De kunstmatige neurale netwerken hebben uitzonderlijke capaciteiten getoond bij het leren en modelleren van niet-lineaire complexe problemen, waaronder beeldverwerking, karakterherkenning en gegevensvoorspelling. Nu heeft het onderzoeksteam lichtsignalen (in plaats van elektrische signalen) gebruikt om deze neurale netwerken te implementeren.

Voordelen van het gebruik van licht boven elektrische signalen

De belangrijkste reden om licht te gebruiken in plaats van elektrische signalen is dat licht interferentie elimineert die wordt veroorzaakt door elektrische lading, waardoor een langere communicatie met hogere snelheid en een lager vermogen mogelijk is.

Het kan de prestaties voor wetenschappelijke data-analyse verbeteren. Dit omvat onderzoek naar kwantumdatawetenschap, zoektochten naar exoplaneten en de ontwikkeling van autonome voertuigbesturingssystemen.

Een traditionele computer verwerkt gegevens via gecodeerde regels of algoritmen, terwijl het neurale netwerk afhankelijk is van meerdere verbindingen tussen verwerkingseenheden die neuronen worden genoemd. De meerdere lagen neuronen kunnen worden getraind om een ​​aantal specifieke taken uit te voeren. Normaal gesproken bevat een neuromorfe machine een grote, gecompliceerde structuur van neurale netwerken.

Hoe hebben ze een optische chip gebouwd?

De nieuwe siliciumchip maakt gebruik van lichtsignalen door twee fotonische golfgeleiderlagen (verticaal) te stapelen. Dit beperkt het licht tot smallere lijnen om lichtsignalen te routeren. Meer specifiek maakt het stapelen van golfgeleiders een dichte integratie mogelijk met golfgeleiderkruisingen met weinig overspraak en weinig verlies.

Referentie:APL Photonics | doi:10.1063/1.5039641 | NIST

Het 3D-ontwerp maakt complexe routeringsschema's mogelijk en kan worden geïntegreerd met extra lagen om ingewikkeldere taken uit te voeren.

In dit werk presenteerden ze gestapelde golfgeleiders die een 3D-raster creëren met 10 ingangen die elk verbonden zijn met 10 uitgangen. Kortom, het is een routering tussen twee lagen van een feed-forward neuraal netwerk met in totaal 100 ontvangers.

Fotonische routeringsverdeelstuk | Bron: Chiles/NIST

Ze gebruikten siliciumnitride om deze golfgeleiders te bouwen (elk is 400 nanometer dik en 800 nanometer breed) en fabriceerden ze op een siliciumwafel. Ze ontwikkelden ook een speciaal programma om automatisch signaalroutering te produceren, met een passend (configureerbaar) connectiviteitsniveau tussen de neuronen.

Vervolgens gebruikten ze een optische vezel om laserlicht op de siliciumchip te richten. Het doel was om elke input naar alle outputs te routeren, volgens een distributiepatroon voor lichtvermogen of -intensiteit. Verschillende vermogensniveaus laten een verschillende mate van connectiviteit en patroon binnen het circuit zien.

De onderzoekers lieten twee schema's zien om de outputintensiteit te controleren –

1. Uniform:alle uitgangen krijgen hetzelfde vermogen.
2. Bell Curve-verdeling:het grootste deel van de kracht wordt overgedragen naar middelste neuronen.

Lees:Een nieuwe vorm van licht die kwantumcomputers mogelijk kan maken met fotonen

Om de uitkomsten nauwkeurig te analyseren, maakten ze beelden van de signalen die uit de laatste laag kwamen. De uitvoer had lage foutpercentages en een nauwkeurige stroomverdeling. Bij een golflengte van 1320 nanometer bleek dat de uniforme en klokvormige verdeling een gemiddelde uitgangsvermogensfout vertoonde van 0,7 en 0,9 dB.