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半導(dǎo)體所研制出超高集成度光學(xué)卷積處理器

研發(fā)快訊 2023年05月31日 09:06:06來(lái)源:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所 16010
摘要近日,中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所集成光電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室微波光電子課題組李明研究員-祝寧華院士團(tuán)隊(duì)研制出一款超高集成度光學(xué)卷積處理器。

  【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日,中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所集成光電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室微波光電子課題組李明研究員-祝寧華院士團(tuán)隊(duì)研制出一款超高集成度光學(xué)卷積處理器。相關(guān)研究成果以Compact optical convolution processing unit based on multimode interference為題,發(fā)表在《自然-通訊》(Nature Communications,DOI:10.1038/s41467-023-38786-x)上。
 
  卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種受生物視覺(jué)神經(jīng)系統(tǒng)啟發(fā)而發(fā)展起來(lái)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。它由多層卷積層、池化層和全連接層組成。作為卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的核心組成部分,卷積層通過(guò)對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行局部感知和權(quán)值共享,提取出不同層次和抽象程度的特征。
 
  在一個(gè)完整的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中,卷積運(yùn)算的運(yùn)算量通常占整個(gè)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)算量的80%以上。雖然卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在圖像識(shí)別等領(lǐng)域取得了成功,但也面臨挑戰(zhàn)。
 
  傳統(tǒng)的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)主要基于馮·諾依曼架構(gòu)的電學(xué)硬件實(shí)現(xiàn),存儲(chǔ)單元和處理單元是分立的,導(dǎo)致數(shù)據(jù)交換速度和能耗之間的固有矛盾。隨著數(shù)據(jù)量和網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度的增加,電子計(jì)算方案越來(lái)越難以滿(mǎn)足海量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理對(duì)高速、低能耗的計(jì)算硬件的需求。
 
  光計(jì)算是一種利用光波作為載體進(jìn)行信息處理的技術(shù),具有大帶寬、低延時(shí)、低功耗等優(yōu)點(diǎn),提供了一種“傳輸即計(jì)算,結(jié)構(gòu)即功能”的計(jì)算架構(gòu),有望避免馮·諾依曼計(jì)算范式中存在的數(shù)據(jù)潮汐傳輸問(wèn)題。光計(jì)算近年來(lái)備受關(guān)注,但在大部分已報(bào)道的光計(jì)算方案中,光學(xué)元件的數(shù)量隨著計(jì)算矩陣的規(guī)模呈二次增長(zhǎng)趨勢(shì),這使得光計(jì)算芯片規(guī)模擴(kuò)展面臨挑戰(zhàn)。
 
圖1 光學(xué)卷積處理單元
 
  李明-祝寧華團(tuán)隊(duì)提出的光學(xué)卷積處理單元通過(guò)兩個(gè)4×4多模干涉耦合器和四個(gè)移相器構(gòu)造了三個(gè)2×2相關(guān)的實(shí)值卷積核(圖1)。該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地將波分復(fù)用技術(shù)結(jié)合光的多模干涉,以波長(zhǎng)表征Kernel元素,輸入到輸出的映射實(shí)現(xiàn)了卷積中的乘法運(yùn)算過(guò)程,波分復(fù)用和光電轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)了卷積中的加法運(yùn)算,通過(guò)調(diào)節(jié)四個(gè)熱調(diào)移相器實(shí)現(xiàn)了相關(guān)卷積核重構(gòu)(圖2)。
 
  圖2 使用光學(xué)卷積處理單元進(jìn)行圖像特征提取的結(jié)果。(a)輸入的五個(gè)手寫(xiě)數(shù)字的圖片;(b)使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行特征提取的結(jié)果;(c)使用提出的光學(xué)卷積處理單元進(jìn)行特征的結(jié)果。
 
  該團(tuán)隊(duì)提出的光學(xué)卷積處理單元實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了手寫(xiě)數(shù)字圖像特征提取和分類(lèi)能力。結(jié)果表明,圖像特征提取精度達(dá)到5 bit;對(duì)來(lái)自MNIST手寫(xiě)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)的手寫(xiě)數(shù)字進(jìn)行十分類(lèi),準(zhǔn)確率達(dá)92.17%。與其他光計(jì)算方案相比,該方案具有如下優(yōu)點(diǎn):
 
  (1)高算力密度:將光波分復(fù)用技術(shù)與光多模干涉技術(shù)相結(jié)合,采用4個(gè)調(diào)控單元實(shí)現(xiàn)3個(gè)2×2實(shí)值Kernel并行運(yùn)算,算力密度達(dá)到12.74-T MACs/s/mm2。(2)線(xiàn)性擴(kuò)展性:調(diào)控單元數(shù)量隨著矩陣規(guī)模線(xiàn)性增長(zhǎng),具有很強(qiáng)的大規(guī)模集成的潛力。

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