الشبكة العصبية الضوئية الاصطناعية

في إحدى المقالات السابقة ، تعرفنا بالفعل على إحدى الدراسات في مجال النظم العصبية. سنتطرق اليوم إلى هذا الموضوع مرة أخرى ، لكنه لن يتعلق بإنشاء خلية عصب اصطناعية ، ولكن حول كيفية دمج هذه الخلايا في شبكة عمل واحدة. بعد كل شيء ، يشبه دماغ الإنسان الويب الأكثر تعقيدًا في العالم ، ويتكون من مليارات التقاطعات والوصلات بين الخلايا العصبية. اقترح الباحثون أن استخدام الضوء بدلاً من الكهرباء سوف يبسط إلى حد كبير عملية إنشاء شبكة عصبية اصطناعية مماثلة في التعقيد للدماغ البشري. بالإضافة إلى الكلمات الكبيرة والحسابات المعقدة وبعيدًا عن تجربة واحدة ، قدم العلماء نسخة تجريبية عاملة من أجهزتهم. كيف يعمل ، وما هي ميزاته وماذا يحمل لمستقبل تقنيات التشكل العصبي؟ إجابات جميع الأسئلة مخفية في تقرير الباحثين. يبقى للعثور عليهم. دعنا نذهب.

ابتكر علماء من المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST) رقاقة يمكنها استخدام إشارات الضوء لأنها تحتوي على "طبقتين" من أدلة الموجات الضوئية. يقوم الأخير بتحويل تيارات الضوء إلى نطاقات ضيقة لإرسال الإشارات الضوئية. ووفقًا للعلماء ، فإن مثل هذا التطور سيسمح بتنفيذ أنظمة توجيه الإشارات المعقدة ، والتي يمكن توسيعها أيضًا بإضافة شرائح إضافية.

هيكل الجهاز

تجدر الإشارة إلى أن جامع الفوتون الموصوف تجريبياً في الدراسة يعمل بغض النظر عن الطول الموجي أو تعدد الإرسال الزمني * .

تعدد إرسال مؤقت * - إرسال عدة إشارات في وقت واحد على قناة واحدة.

الصورة رقم 1

يعتمد هيكل المجمع على طائرتين موجهتين متكاملتين عموديًا. يتم توجيه المستوى السفلي (P ₁ ) باتجاه الشرق ، بينما يقع المستوى الثاني (P ₂ ) جنوبًا ، مما يتجنب التقاطعات.

يتم توجيه الضوء من P _{1 الذي} تم جمعه من كل عقدة إدخال إلى P ₂ عندما يبدأ في التحرك في الاتجاه الشرقي. يقلل هذا التوجيه من عدد الأدلة الموجية المعنية حيث يتم توجيه كل إشارة واردة باستخدام موصل على شكل نجمة * .

موصل على شكل نجمة * - جهاز يستقبل إشارة واردة ويوزعها على عدة إشارات صادرة.

يتم تنفيذ المجمع من طبقتين من الشبكة العصبية مع ردود فعل مترابطة:

1. 10 خلايا عصبية صاعدة ؛
2. 10 عصبونات هابطة تحتوي على 100 مشابك.

يوضح الشكل 1 ج رسمًا تخطيطيًا لقسم منفصل من النظام يصف بنية طبقات الخزان.

ملاحظة: يستخدم التقرير اختصارات مرتبطة بالصور 1 ب و 1 ج ، وهي T _x (مرسلات الطبقة الأولى من الخلايا العصبية) و S _{x، y} (مشابك / مستقبلات الخلايا العصبية من الطبقة الثانية). وهكذا ، على سبيل المثال ، S _8.3 هو مشابك المستقبل الثالث الذي يستقبل الإشارة من المرسل الثامن (T ₈ ).

يسمح هيكل الشبكة هذا لكل عقدة إدخال بتشكيل مجموعة من 10 تيارات صادرة ، والتي تمثل معًا مجموعة الإدخال بأكملها. تعمل كل مجموعة مثل المشابك (المستقبلات) لخلايا عصبية نازلة معينة. تظهر هذه الميزة الهيكلية في الصورة 1 ب .

الهدف من المجمع هو توجيه كل مدخل إلى مشابك واحد لكل ناتج ، باتباع نمط معين من توزيع الطاقة.

أنشأ الباحثون نسختين من النظام:

• منتظم - يتم توفير كل مشابك صادرة بنفس القوة ؛
• Gaussian - يتلقى المشبك من الخلايا العصبية الوسطى للطبقة الصاعدة معظم القوة ، وتكون المشابك على طول محيط الخلايا العصبية أصغر بكثير.

لإنشاء قوالب لكلا الخيارين تلقائيًا ، تمت كتابة برنامج نصي كانت متغيراته مسؤولة عن عدد ملفات الخلايا العصبية وملفات توزيع الكثافة.

أهم عنصر في النظام هو ما يسمى بجهاز السحب والإرسال الموضح في الصورة 1e . يتكون هذا الجهاز من مخرج شعاع وقارنة مقرنة (يشار إليها فيما يلي بـ IPC ) تقع بالقرب من بعضها البعض قدر الإمكان. تتمثل مهمة الجهاز في تحويل جزء معين من طاقة الناقل إلى دليل موجي متعامد على المستوى العلوي.

أدلة الموجات P ₁ و P ₂ ضيقة بشكل ثابت وتتوسع إلى مسافة 1.5 ميكرومتر (توصيل الخطوط الحمراء والزرقاء في الصورة 1e ) لتقليل خسائر الانتثار على طولها بالكامل.

للتوضيح ، يضيق الدليل الموجي P ₁ إلى عرض 400 نانومتر على مسافة 12 ميكرومتر ، ثم يعود إلى عرضه الأصلي بعد 18 ميكرومتر. علاوة على ذلك ، ينخفض ​​P ₁ إلى عرضه الأدنى وهو 200 نانومتر على مدى 12 ميكرومتر. ويكرر P ₂ بدوره هذا النمط بترتيب عكسي فقط. ونتيجة لذلك ، يبلغ إجمالي طول IPC 42 ميكرون.

عندما يكون للشبكة مثل هذه الأبعاد ، من المهم للغاية تزويدها بمجموعة ديناميكية رائعة من معاملات إزالة الطاقة ، والتي ستسمح بتحقيق توزيع موحد أو غوسي.

لتلبية هذا المطلب ، يستخدم المجمع ثلاث فجوات اتصال وطول اتصال متغير ، مما يسمح لك بتوسيع نطاق توزيع الطاقة للشبكة بنجاح.

يتم تحديد فجوة الاتصال بواسطة البرنامج النصي من جدول البحث ، حيث يتم جمع بيانات الحسابات السابقة لمعاملات النقر.

قيم الفجوات الثلاث هي كما يلي: 300 نانومتر ، 400 نانومتر و 500 نانومتر. ويختلف طول المركب من 2.7 ميكرون إلى 19 ميكرون.

تصنيع جامع

تم تصنيع جامع الفوتون داخل جدران منشأة بولدر للصناعات الدقيقة بالمعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا.


داخل المختبر: يقوم أمين غرفة الأبحاث جون نيبارغر بفحص حامل لوحة مصممة لأداة ترسيب لرش المواد لرش المعادن الثمينة.

كان قطر رقاقة السيليكون 77 مم.


شكل رقم 2: صور بصرية للعينات المصنعة

يتكون مستوى الدليلين الموجيين في العينات من فيلم SiN (نيتريد السليكون) بسمك 400 نانومتر مع مسافة بين المستوي 1.2 ميكرومتر وعرض اسمي 800 نانومتر. تم ترسيب مادة فيلم SiN في درجات حرارة منخفضة جدًا (24 و 25 و 40 درجة مئوية) لتقليل الإجهاد الميكانيكي وعدم تطابق التمدد الحراري.

كان لفيلم SiN معامل انكسار قدره 1.96 ، وكان مؤشر خسارة انتشار الموجة ~ 5 ديسيبل / سم عند طول موجي λ = 1310 نانومتر.

على جميع الجوانب ، تصطف الأدلة الموجية مع SiO ₂ المودع بالبلازما (ثاني أكسيد السيليكون).

مشعب موزعة بالتساوي

كما فهمنا بالفعل ، بغض النظر عن طاقة الإدخال ، يجب توفير نفس الجزء من الطاقة لكل مشابك الإخراج المتصل. على سبيل المثال ، عند توجيه الضوء إلى عقدة الإدخال Tx ، يجب أن نرى توزيع الطاقة التالي: S _{x، 1} = S _{x، 2} = S _{x، 3} · · = S _{x، 10} .


الصورة رقم 3 ب: صورة مجمعة بالأشعة تحت الحمراء توضح كيفية ظهور الضوء من العقدة الصادرة

من أجل تلبية هذا المطلب ، كان معامل التوزيع من 0.1 إلى 0.5.


الصورة رقم 4

في الصورة 4 أ ، يتم جمع مؤشرات الشدة المقاسة ، وفي 4 ب ، جميع الأخطاء. وهنا نرى أنه على الرغم من بعض الأخطاء ، تظهر معظم نقاط الاشتباك العصبي تماثلًا جيدًا.

كعينة ، يظهر مستوى توحيد الطاقة للعقد الصادرة لـ T ₈ (الإدخال) ( 4 ث ).

الأخطاء ، بدورها ، يتم حسابها على أنها انحراف كل نقطة عن متوسط ​​القيمة. في الصورة 4 د ، تم قياس متوسط ​​القيمة من القيمة المطلقة للأخطاء في كل صف في الصورة 4 ب . من خلال الجمع بين جميع بيانات الحساب ، حصل الباحثون على متوسط ​​قيمة خطأ 0.7 dB.

معلمة مهمة أخرى للدراسة كانت الاعتماد الطيفي للمجمع بتوزيع موحد. لهذا ، تم إنشاء اتصال مع عقدة إدخال واحدة فقط T ₈ ، وبعد ذلك تم تنفيذ ملاحظات التغييرات في التوحيد عند الإخراج مع طول موجة المسح.


الصورة رقم 5

يوضح الشكل 5 أ اعتماد القوة على الطول الموجي. يعرض 5b كافة الأخطاء.

ويبين الشكل 5 ج أن أصغر قيمة متوسطة للأخطاء هي 0.46 ديسيبل لوحظ على طول موجة يبلغ 1320 نانومتر. لا ترتفع هذه المعلمة فوق dB 1 حتى مع نطاق تمرير 50 ​​nm.

جامع التوزيع الغوسي

يتم صنع هذا المجمع بطريقة تجعل المشابك تستقبل الطاقة وفقًا لمبدأ الغلاف الغوسي.


الصورة رقم 6

أظهر تراكب الظرف على توزيع الطاقة المشبكية الذي تم تحديده تجريبيًا لعقدة الإدخال T ₈ توافقًا ممتازًا ( 6c ).

خلاف ذلك ، تم تنفيذ القياسات وفقا لنفس المخطط كما هو الحال مع المجمع السابق.

الصورة 6 أ عبارة عن مجموعة مؤشرات على اعتماد القوة على الطول الموجي. 6b - الأخطاء.

الرسم البياني 6 د هو متوسط ​​قيمة القيمة المطلقة للأخطاء المحسوبة مع مراعاة جميع السلاسل من 6 ب . كان هذا الرقم 0.9 ديسيبل.

تبع ذلك قياس الاعتماد الطيفي. كما هو الحال مع المجمع السابق ، شاركت العقدة T ₈ فقط في القياسات.


الصورة رقم 7

يظهر اعتماد القوة على الطول الموجي في الصورة 7 أ ، والخطأ في 7 ب .

أيضًا ، من الصورة 7 أ ، تظهر حركة barycenter * للمظروف نحو المشبك مع أقل عدد مع زيادة الطول الموجي.

Baricenter * - متوسط ​​موضع الحساب لجميع النقاط في الشكل.

وقد لوحظت أصغر قيمة خطأ ، 0.42 ديسيبل ، عند طول موجة يبلغ 1310 نانومتر ، وهو موضح في الرسم البياني 7 ج .

بالنظر إلى أن كلا الإصدارين من المجمع لهما أصغر قيمة خطأ عند نفس الطول الموجي تقريبًا ، يمكن القول أنه يمكن معايرة معامل الصنبور بشكل جيد تمامًا عند الطول الموجي 1310-1320 نانومتر.

الملخص

أوضحت قياسات عدد الأخطاء ومتوسط ​​قيمتها في كلا المتغيرين أن العقد الناتجة ذات العدد الأعلى تفتقر إلى الطاقة ، خاصة إذا كانت متصلة بالعقد ذات عدد أقل. توصل العلماء إلى استنتاج مفاده أن هذا يرجع إلى العدد الكبير من التقاطعات لطرق الدليل الموجي ، وهذا يزيد الخسائر مقارنة بالطرق الأخرى. بالإضافة إلى ذلك ، تتراكم خسائر التوزيع حتى 1 ديسيبل لأطول المسارات ، مما يؤثر على توحيد توزيع الطاقة.

نوع آخر من الأخطاء الملحوظة هو المشابك الداكنة والخفيفة التي تكون مرئية بوضوح في الصور أعلاه (على سبيل المثال ، المشبك S _2.7 في الصورة 6 ب ). غالبًا ما يرتبط عيب مماثل بالتلف الميكانيكي أثناء التسوية (إزالة المخالفات من سطح اللوحة).

تجدر الإشارة إلى أنه يمكن إصلاح هذه الأخطاء. للقيام بذلك ، تحتاج إلى ضبط معامل الصنبور بحيث تتلقى نقاط الاشتباك العصبي المزيد من الضوء. مثل هذا الحل يمكن أن يحسن بشكل كبير توزيع الطاقة عبر المجمع.

وبعبارة أخرى ، فإن الأخطاء الأكثر شيوعًا في هذه التجربة هي تلك التي تسببها العيوب العرضية أثناء تصنيع العينة أو أثناء الدراسات التجريبية نفسها.

يمكن أن تؤثر الأخطاء في الكثافة على كفاءة الطاقة في النظام دون التأثير على معالجة البيانات. ولكنه يعتمد أيضًا على نوع النظام نفسه.

في النظم العصبية ، يحتاج كل مشابك إلى حد أدنى معين من الفوتونات من أجل إثارة رد فعل. إذا كانت هناك عُقد في شبكة توزيع الطاقة الضوئية بين العصبون والمشابك التي تتلقى عن غير قصد عددًا صغيرًا بشكل غير طبيعي من الفوتونات ، فأنت بحاجة فقط إلى زيادة إمدادات الضوء التي يولدها العصبون. سيضمن ذلك وصول الإشارة الضوئية إلى أضعف الاتصالات.

أظهرت القياسات التجريبية لمجمع له توزيع غوسي مرة أخرى أنه يمكن تنفيذ مثل هذا الجهاز لمعماريات النظام المختلفة بسبب درجة عالية من التحكم في عملية توزيع الطاقة.

من المهم أن نلاحظ أن النظام الذي يستخدم مثل هذه المجمعات قابل للتطوير عن طريق إضافة المزيد من العقد ومدخلات المصدر. الشيء الوحيد الذي يطغى على هذه النتائج الإيجابية هو الخسارة المرتبطة بتقاطع أدلة الموجة. تم العثور على أن الحد الأقصى لعدد التقاطعات على مسار واحد يتناسب مع مربع عدد العقد.



الخسائر من معبر واحد هي 6 mdB. إذا كان لدى المجمع 22 مدخل و 22 عقدة مصدر ، فإن معدل الخسارة الإجمالي سيكون 3 ديسيبل. يمكن تجنب ذلك ببساطة شديدة - من خلال زيادة المساحة بين المستويين. وبالتالي ، ستكون الخسائر ضئيلة ، على الرغم من أن حجم الشريحة سيزداد.

للحصول على معرفة أكثر تفصيلاً بمواد البحث ، أوصي بشدة بالنقر فوق الرابط.

الخاتمة

سيقول شخص ما أن العلماء المشاركين في مثل هذه البحوث يضيعون الوقت. لن أكون جذريا جدا. أي معرفة يتم الحصول عليها في سياق أي خبرة عملية أو إعادة النظر النظري مهمة للصالح العام للعلم ، ونتيجة لذلك ، لحياة المجتمع. يشبه هذا قطعة صغيرة من اللغز ، والتي بدونها لن تتغير الفكرة العامة لصورة اللغز ، ولكنها لن تكون كاملة.

كما قال جورج ليشتنبرغ:

أعظم الأشياء في العالم سببها أشياء أخرى نعتبرها غير ذات أهمية. ("أعظم الأشياء في العالم تنتج عن أشياء أخرى لا نعتبرها شيئًا.")

شكرا لك على البقاء معنا. هل تحب مقالاتنا؟ هل تريد رؤية مواد أكثر إثارة للاهتمام؟ ادعمنا عن طريق تقديم طلب أو التوصية به لأصدقائك ، خصم 30 ٪ لمستخدمي Habr على نظير فريد من خوادم مستوى الدخول التي اخترعناها لك: الحقيقة الكاملة حول VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 نوى) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps من 20 $ أو كيفية تقسيم الخادم؟ (تتوفر الخيارات مع RAID1 و RAID10 ، حتى 24 مركزًا وحتى 40 جيجابايت DDR4).

ديل R730xd أرخص مرتين؟ فقط لدينا 2 x Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 TV من 249 دولارًا في هولندا والولايات المتحدة! اقرأ عن كيفية بناء مبنى البنية التحتية الطبقة باستخدام خوادم Dell R730xd E5-2650 v4 بتكلفة 9000 يورو مقابل سنت واحد؟