光芯片上的全光脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡

  Nature昨天刊登了德國明斯特大學的一篇最新進展，研究人員在光芯片上實現(xiàn)了脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(spike neural network)。先睹為快，這篇筆記主要介紹下這篇進展。研究人員將氮化硅波導與相變材料結(jié)合，實現(xiàn)了監(jiān)督式和非監(jiān)督式的機器學習，并演示了對15個像素圖片的模式識別。

  關于相變材料(phase changing material, 以下簡稱PCM), 小豆芽之前的一篇筆記 基于光芯片的內(nèi)存內(nèi)計算(memory-in computing)提到過。研究人員采用相同的材料GST(全稱為Germanium Antimony Tellurium), 它可以在晶體和非晶態(tài)之間切換。GST通過濺射的方法沉積在SiN波導上方。GST的折射率隨波長變化曲線如下圖所示, 當PCM處于非晶態(tài)時，它的吸收率較小，而當它處于晶體態(tài)時，吸收率較大。基于這一性質(zhì)，它可以作為神經(jīng)網(wǎng)絡的權(quán)重單元(weights)，用來調(diào)控SiN波導中的光強，

(圖片來自文獻1)

  光脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡的結(jié)構(gòu)如下圖所示，

(圖片來自文獻1)

  而典型的神經(jīng)元結(jié)構(gòu)如下圖所示，

(圖片來自https://www.cnblogs.com/by-dream/p/10497816.html)

  比較上面兩幅圖片，可以看出光學脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡的結(jié)構(gòu)與生物神經(jīng)元結(jié)構(gòu)非常類似，兩者之前存在一種對應關系。對于光學脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡，不同波長的光脈沖序列輸入進PCM構(gòu)成的突觸單元(synapse), 經(jīng)過PCM的作用，脈沖強度發(fā)生變化，對應于乘法器。進而借助于微環(huán)結(jié)構(gòu)，將不同波長的脈沖導入進同一波導中，該功能類似加法器。相加后的脈沖光強較小時，probe光與微環(huán)發(fā)生共振，在輸出端口沒有光強輸出。當光強達到一定的閾值后，probe信號不再和微環(huán)發(fā)生共振，而是傳播到輸出端口。這一過程類似神經(jīng)元脈沖信號的激發(fā)，扮演了非線性激活函數(shù)的功能。基本的光學結(jié)構(gòu)單元如下：

  1. 含PCM的波導

  下圖中的結(jié)構(gòu)I, 作為突觸單元，調(diào)控光脈沖信號的強度，相當于乘法器

  2. WDM波分復用器

  下圖中的結(jié)構(gòu)II, 采用微環(huán)結(jié)構(gòu)，將不同波長的光脈沖導入到同一根波導中，相當于加法器

  3. 含PCM的微環(huán)結(jié)構(gòu)

  下圖中的結(jié)構(gòu)VI, 作為非線性激活函數(shù)。當脈沖能量超過430pJ時，“激發(fā)”一個光脈沖。

  (圖片來自文獻1)

  整個信號處理過程分為四步: 1)Weighting, 2)Mux, 3)Sum, 4) Output。典型的光路結(jié)構(gòu)如下圖所示，下圖對應三個神經(jīng)元結(jié)構(gòu)。

(圖片來自文獻1)

  利用上圖的單個神經(jīng)元結(jié)構(gòu)，研究人員驗證了監(jiān)督式機器學習和非監(jiān)督式機器學習。對于監(jiān)督式機器學習，權(quán)重的數(shù)值通過外部的supervisor設置。

(圖片來自文獻1)

  左圖對應1010的識別，右圖對應1100的識別。

  對于非監(jiān)督式機器學習，不再需要外部的supervisor來設置權(quán)重值，而是通過輸出光脈沖進行反饋控制，調(diào)整權(quán)重值，如下圖所示。當光脈沖信號產(chǎn)生時，增加對應的權(quán)重值，而沒有光脈沖信號產(chǎn)生時，減小對應的權(quán)重值。下圖展示了對0110的識別過程。

（圖片來自文獻1）

  上述的演示都是針對單個神經(jīng)元的，對應2x2矩陣的操作。進一步，他們提出了更復雜的光學脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，證明該結(jié)構(gòu)的可擴展性。神經(jīng)網(wǎng)絡中的每一層結(jié)構(gòu)，如下圖所示。每一層包括三個功能單元，即收集器collector、分發(fā)器distributor和神經(jīng)突觸結(jié)構(gòu)neurosynapse。收集器將上一層不同波長的光脈沖信號收集到同一根波導中，分發(fā)器將光脈沖分發(fā)給N個神經(jīng)元，神經(jīng)突觸結(jié)構(gòu)則產(chǎn)生光脈沖信號，輸入給下一層結(jié)構(gòu)。

(圖片來自文獻1)

  基于上述的架構(gòu)，他們進一步演示了對字母ABCD的識別。光路中包含4個神經(jīng)元，每個神經(jīng)元包含15個突觸，對應識別含15個像素的圖片。整個芯片包含140多個光器件，如下圖所示。由于涉及到15個波長，收集器不是在片內(nèi)實現(xiàn)的，而是通過外部的WDM實現(xiàn)。

(圖片來自文獻1)

  可以看出，該結(jié)構(gòu)能夠較好地識別ABCD這四個字母。

  小豆芽的幾點comment：

  1) 神經(jīng)網(wǎng)絡所需的功能單元全部都可以在光芯片內(nèi)實現(xiàn)，而MIT研究組的方案中激活函數(shù)是通過片外電學方法實現(xiàn)。這是該方案的一個優(yōu)勢和新穎之處。

  2) 采用微環(huán)結(jié)構(gòu)，微環(huán)是對工藝、溫度、波長非常敏感的。如果該方案想進行大批量生產(chǎn)，這會是一個非常大的挑戰(zhàn)。當然，可以通過熱調(diào)的方法進行補償，但是這會帶來額外的功耗。

  3) 由于采用了特殊的PCM材料，目前還沒有硅光foundry支持這一工藝。

  4) 采用波長編碼，目前演示的是含15像素的圖片識別，涉及到15個波長。如果矩陣的規(guī)模進一步變大，例如10x10, 就會涉及到100個波長。這就需要可處理100個波長的波分復用器件，無論是在片內(nèi)還是片外，實現(xiàn)起來都是非常有難度的?；蛟S，較大的矩陣能拆分成小矩陣進行處理，可以規(guī)避這一問題。

  文章中如果有任何錯誤和不嚴謹之處，還望大家不吝指出，歡迎大家留言討論。

  參考文獻：

  1. J. Feldmann, et.al., "All-optical spiking neurosynaptic networks with self-learning capabilities"， Nature 569, 208(2019)