Red neuronal artificial fotónica

En uno de los artículos anteriores, ya nos familiarizamos con uno de los estudios en el campo de los sistemas neuromórficos. Hoy volveremos a tratar este tema, pero no se tratará de crear una célula nerviosa artificial, sino de cómo combinar estas células en una red de trabajo. Después de todo, el cerebro humano es como la red más compleja del mundo, que consta de miles de millones de intersecciones y conexiones de neuronas. Los investigadores han sugerido que usar luz en lugar de electricidad simplificará en gran medida el proceso de creación de una red neuronal artificial comparable en complejidad al cerebro humano. Además de grandes palabras, cálculos complicados y lejos de ser una experiencia, los científicos proporcionaron una versión de demostración funcional de su dispositivo. ¿Cómo funciona, cuáles son sus características y qué conlleva para el futuro de las tecnologías neuromórficas? Las respuestas a todas las preguntas están ocultas en el informe de los investigadores. Queda por encontrarlos. Vamos

Los científicos del NIST (Instituto Nacional de Estándares y Tecnología) han creado un chip que puede usar señales de luz porque tiene dos "capas" de guías de ondas fotónicas. Estos últimos transforman las corrientes de luz en bandas estrechas para transmitir señales ópticas. Según los científicos, tal desarrollo permitirá la implementación de complejos sistemas de enrutamiento de señales, que también se pueden ampliar agregando chips adicionales.

Estructura del dispositivo

Vale la pena señalar que el colector de fotones descrito experimentalmente en el estudio funciona independientemente de la longitud de onda o multiplexación de tiempo * .

Multiplexación temporal * : transmisión de varias señales simultáneamente en un canal.

Imagen No. 1

La estructura del colector se basa en 2 planos de guía de onda integrados verticalmente. El plano inferior (P ₁ ) está dirigido hacia el este, mientras que el segundo (P ₂ ) está hacia el sur, lo que evita las intersecciones.

La luz de P ₁ recogida de cada nodo de entrada se dirige a P ₂ cuando comienza a moverse en dirección este. Este enrutamiento reduce el número de guías de onda involucradas ya que cada señal entrante se enruta usando un conector en forma de estrella * .

Conector en forma de estrella * : un dispositivo que recibe una señal entrante y la distribuye en varias salientes.

El recopilador se implementa desde dos capas de una red neuronal con retroalimentación, interconectadas:

1. 10 neuronas ascendentes;
2. 10 neuronas descendentes con 100 sinapsis.

La figura 1c muestra un diagrama de una sección separada del sistema que describe la estructura de las capas del depósito.

Observación: el informe utiliza abreviaturas asociadas con las imágenes 1b y 1c , a saber, T _x (transmisores de la primera capa de neuronas) y S _{x, y} (sinapsis / receptores de neuronas de la segunda capa). Así, por ejemplo, S _8.3 es la sinapsis del tercer receptor que recibe la señal del octavo transmisor (T ₈ ).

Esta estructura de red permite que cada nodo de entrada forme un grupo de 10 flujos salientes, que juntos representan la matriz de entrada completa. Cada grupo actúa como sinapsis (receptores) para una neurona descendente particular. Esta característica estructural se muestra en la imagen 1b .

El objetivo del colector es dirigir cada entrada a una sinapsis de cada salida, siguiendo un patrón dado de distribución de energía.

Los investigadores han creado dos versiones del sistema:

• uniforme : cada sinapsis saliente tiene el mismo poder;
• Gaussiano : la sinapsis de las neuronas medias de la capa ascendente recibe la mayor parte del poder, y las sinapsis a lo largo de la periferia de las neuronas son mucho más pequeñas.

Para generar automáticamente plantillas para ambas opciones, se escribió un script cuyas variables fueron responsables de la cantidad de neuronas y los perfiles de distribución de intensidad.

El elemento más importante del sistema es el llamado dispositivo de retracción y transmisión que se muestra en la imagen 1e . Este dispositivo consta de una salida de haz y un acoplador interplane (en adelante, IPC ) ubicados lo más cerca posible entre sí. La tarea del dispositivo es desviar una cierta parte de la potencia del bus a una guía de onda perpendicular en el plano superior.

Las guías de onda P ₁ y P _{2 se} estrechan adiabáticamente y se expanden a una distancia de 1.5 μm (conectando las líneas roja y azul en la imagen 1e ) para minimizar las pérdidas por dispersión a lo largo de toda su longitud.

Para aclarar, la guía de ondas P _{1 se} estrecha a un ancho de 400 nm a una distancia de 12 μm, y luego vuelve a su ancho original después de 18 μm. Además, P _{1 se} estrecha a su ancho mínimo de 200 nm sobre 12 μm. P ₂ , a su vez, repite este patrón solo en orden inverso. Como resultado, la longitud total de IPC es de 42 micras.

Cuando la red tiene tales dimensiones, es extremadamente importante proporcionarle un rango dinámico impresionante de coeficientes de eliminación de energía, lo que permitirá lograr una distribución uniforme o gaussiana.

Para cumplir con este requisito, el colector utiliza tres espacios de conexión y una longitud de conexión variable, lo que le permite expandir con éxito el rango de distribución de energía de la red.

El espacio de conexión se selecciona mediante la secuencia de comandos de la tabla de búsqueda, donde se recopilan los datos de los cálculos anteriores de los coeficientes de derivación.

Los valores de los tres espacios son los siguientes: 300 nm, 400 nm y 500 nm. Y la longitud del compuesto varía de 2.7 micras a 19 micras.

Fabricación de coleccionistas

El colector de fotones fue fabricado dentro de las paredes de la Instalación de Microfabricación de Boulder del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología.


Dentro del laboratorio: el curador de "sala limpia" John Nibarger examina un soporte para una placa diseñada para una herramienta de deposición para rociar materiales para rociar metales preciosos.

El diámetro de la oblea de silicio era de 77 mm.


Imagen No. 2: imágenes ópticas de muestras fabricadas

El plano de dos guías de onda en las muestras consiste en una película de SiN (nitruro de silicio) de 400 nm de espesor con una distancia interplanar de 1.2 μm y un ancho nominal de 800 nm. El material para la película de SiN se depositó a temperaturas muy bajas (24, 25 y 40 ° C) para minimizar el estrés mecánico y la falta de coincidencia de la expansión térmica.

La película de SiN tenía un índice de refracción de 1,96 y el índice de pérdida de propagación de la onda era de ~ 5 dB / cm a una longitud de onda de λ = 1310 nm.

En todos los lados, las guías de ondas están revestidas con SiO2 (dióxido de silicio) depositado en plasma.

Distribuidor distribuido uniformemente

Como ya entendimos, independientemente de la potencia de entrada, se debe suministrar la misma parte de la potencia a cada sinapsis de salida conectada. Por ejemplo, al dirigir la luz al nodo de entrada Tx, deberíamos ver la siguiente distribución de potencia: S _{x, 1} = S _{x, 2} = S _{x, 3} · · · = S _{x, 10} .


Imagen No. 3b: imagen infrarroja del colector, que muestra cómo aparece la luz desde el nodo saliente

Para satisfacer este requisito, el coeficiente de distribución fue de 0.1 a 0.5.


Imagen No. 4

En la imagen 4a , se recogen los indicadores de intensidad medidos, y en 4b , todos los errores. Y aquí vemos que a pesar de algunos errores, la mayoría de las sinapsis muestran una buena uniformidad.

Como muestra, se muestra el nivel de uniformidad de potencia de los nodos salientes para T ₈ (entrada) ( 4s ).

Los errores, a su vez, se calculan como la desviación de cada punto del valor promedio. En la imagen 4d, el valor promedio se midió a partir del valor absoluto de los errores en cada fila de la imagen 4b . Combinando todos los datos de cálculo, los investigadores obtuvieron un valor de error promedio de 0.7 dB.

Otro parámetro importante para el estudio fue la dependencia espectral del colector con una distribución uniforme. Para esto, se estableció una conexión con un solo nodo de entrada T ₈ , después de lo cual se llevaron a cabo observaciones de cambios en la uniformidad en la salida con la longitud de onda de exploración.


Imagen No. 5

La figura 5a muestra la dependencia del poder de la longitud de onda. 5b muestra todos los errores.

La Figura 5c muestra que el valor promedio más pequeño de los errores es 0.46 dB observado a una longitud de onda de 1320 nm. Este parámetro no se eleva por encima de 1 dB incluso con una banda de paso de 50 nm.

Coleccionista de distribución gaussiana

Este colector está hecho de tal manera que las sinapsis reciben energía de acuerdo con el principio de una envoltura gaussiana.


Imagen No. 6

La superposición de la envoltura en la distribución de potencia sináptica determinada experimentalmente para el nodo de entrada T ₈ mostró una excelente concordancia ( 6c ).

De lo contrario, las mediciones se llevaron a cabo de acuerdo con el mismo esquema que con el colector anterior.

La imagen 6a es un conjunto de indicadores de la dependencia del poder de la longitud de onda. 6b - errores.

El gráfico 6d es el valor promedio del valor absoluto de los errores calculados teniendo en cuenta todas las series de 6b . Esta cifra fue de 0.9 dB.

Esto fue seguido por una medición de la dependencia espectral. Al igual que con el colector anterior, solo el nodo T ₈ participó en las mediciones.


Imagen No. 7

La dependencia del poder de la longitud de onda se muestra en la imagen 7a , y el error en 7b .

Además, a partir de la imagen 7a , el movimiento del baricentro * de la envoltura hacia la sinapsis con el número más bajo se ve con el aumento de la longitud de onda.

Baricentro * : la posición media aritmética de todos los puntos de la figura.

El valor de error más pequeño, 0,42 dB, se observó a una longitud de onda de 1310 nm, que se muestra en el gráfico 7c .

Teniendo en cuenta que ambas versiones del colector tienen el menor valor de error aproximadamente a la misma longitud de onda, se puede argumentar que el coeficiente de derivación puede calibrarse bastante bien a una longitud de onda de 1310-1320 nm.

Resumen

Las mediciones del número de errores y su valor promedio en ambas variantes de colector dejaron en claro que los nodos de salida con un número más alto tienen una falta de potencia, especialmente si están conectados a nodos con un número más bajo. Los científicos llegaron a la conclusión de que esto se debe a la gran cantidad de intersecciones de estas rutas de guía de ondas, y esto aumenta las pérdidas en comparación con otras rutas. Además, las pérdidas de distribución se acumulan hasta 1 dB para las rutas más largas, lo que afecta la uniformidad de la distribución de energía.

Otro tipo de error observado son las sinapsis oscuras y claras que son claramente visibles en las imágenes de arriba (por ejemplo, sinapsis S _2.7 en la imagen 6b ). Es muy probable que un defecto similar esté asociado con daños mecánicos durante la planarización (eliminación de irregularidades de la superficie de la placa).

Vale la pena señalar que tales errores se pueden corregir. Para hacer esto, debe ajustar el coeficiente de tap para que las sinapsis reciban más luz. Tal solución puede mejorar significativamente la distribución de energía a través del colector.

En otras palabras, los errores más comunes en este experimento son los causados ​​por defectos accidentales durante la fabricación de la muestra o durante los propios estudios experimentales.

Los errores de intensidad pueden afectar la eficiencia energética del sistema sin afectar el procesamiento de datos. Pero también depende del tipo de sistema en sí.

En los sistemas neuromórficos, cada sinapsis necesita un cierto número mínimo de fotones para provocar una reacción. Si hay nodos en la red de distribución de potencia óptica entre la neurona y la sinapsis que inadvertidamente reciben una cantidad anormalmente pequeña de fotones, entonces solo necesita aumentar el suministro de luz generado por la neurona. Esto asegurará que la señal óptica llegue a las conexiones más débiles.

Las mediciones experimentales de un colector con una distribución gaussiana mostraron una vez más que dicho dispositivo puede implementarse para diferentes arquitecturas del sistema debido al alto grado de control sobre el proceso de distribución de energía.

Es importante tener en cuenta que un sistema que utiliza dichos recopiladores es escalable al agregar más nodos de entrada y fuente. Lo único que eclipsa tales resultados positivos es la pérdida asociada con la intersección de las guías de ondas. Se encontró que el número máximo de intersecciones en una ruta es proporcional al cuadrado del número de nodos.



Las pérdidas de un cruce son de 6 mdB. Si el colector tiene 22 nodos de entrada y 22 de origen, la tasa de pérdida total será de 3 dB. Esto se puede evitar de manera muy simple: aumentando el espacio interplanar. Por lo tanto, las pérdidas serán mínimas, aunque el tamaño del chip aumentará.

Para un conocimiento más detallado de los materiales de investigación, le recomiendo que haga clic en el enlace.

Epílogo

Alguien dirá que los científicos dedicados a tales investigaciones están perdiendo el tiempo. No sería tan radical. Cualquier conocimiento obtenido en el curso de cualquier experiencia práctica o replanteamiento teórico es importante para el bien común de la ciencia y, como consecuencia, de la vida de la sociedad. Esto es como una pequeña pieza de un rompecabezas, sin el cual la idea general de la imagen del rompecabezas no cambiará, pero será incompleta.

Como dijo Georg Lichtenberg:

Las cosas más grandes del mundo son causadas por otros que consideramos insignificantes. ("Las cosas más grandes del mundo son producidas por otras cosas que no consideramos nada").

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