Réseau neuronal artificiel photonique

Dans l'un des articles précédents, nous nous sommes déjà familiarisés avec l'une des études dans le domaine des systèmes neuromorphiques. Aujourd'hui, nous aborderons à nouveau ce sujet, mais il ne s'agira pas de créer une cellule nerveuse artificielle, mais de combiner ces cellules en un réseau fonctionnel. Après tout, le cerveau humain est comme le réseau le plus complexe du monde, composé de milliards d'intersections et de connexions de neurones. Les chercheurs ont suggéré que l'utilisation de la lumière au lieu de l'électricité simplifierait considérablement le processus de création d'un réseau neuronal artificiel comparable en complexité au cerveau humain. En plus de gros mots, de calculs compliqués et loin d'une seule expérience, les scientifiques ont fourni une version de démonstration fonctionnelle de leur appareil. Comment cela fonctionne-t-il, quelles sont ses caractéristiques et que comporte-t-il pour l'avenir des technologies neuromorphiques? Les réponses à toutes les questions sont cachées dans le rapport des chercheurs. Reste à les retrouver. Allons-y.

Des scientifiques du NIST (Institut national des normes et de la technologie) ont créé une puce qui peut utiliser des signaux lumineux car elle possède deux «couches» de guides d'ondes photoniques. Ces derniers transforment les flux lumineux en bandes étroites pour transmettre des signaux optiques. Selon les scientifiques, un tel développement permettra la mise en œuvre de systèmes de routage de signaux complexes, qui peuvent également être étendus en ajoutant des puces supplémentaires.

Structure de l'appareil

Il convient de noter que le collecteur de photons décrit expérimentalement dans l'étude fonctionne indépendamment de la longueur d'onde ou du multiplexage temporel * .

Multiplexage temporaire * - transmission de plusieurs signaux simultanément sur un canal.

Image n ° 1

La structure du collecteur est basée sur 2 plans de guides d'ondes intégrés verticalement. Le plan inférieur (P ₁ ) est orienté à l'est, tandis que le second (P ₂ ) est au sud, ce qui évite les intersections.

La lumière de P ₁ collectée à partir de chaque nœud d'entrée est dirigée vers P ₂ lorsqu'elle commence à se déplacer vers l'est. Ce routage réduit le nombre de guides d'ondes impliqués puisque chaque signal entrant est routé à l'aide d'un connecteur en forme d'étoile * .

Connecteur en étoile * - un appareil qui reçoit un signal entrant et le distribue en plusieurs sorties.

Le collecteur est implémenté à partir de deux couches d'un réseau neuronal avec rétroaction, interconnectées:

1. 10 neurones ascendants;
2. 10 neurones descendants avec 100 synapses.

La figure 1c montre un diagramme d'une section distincte du système qui décrit la structure des couches de réservoir.

Remarque: le rapport utilise des abréviations associées aux images 1b et 1c , à savoir T _x (émetteurs de la première couche de neurones) et S _{x, y} (synapses / récepteurs de neurones de la deuxième couche). Ainsi, par exemple, S _8.3 est la synapse du troisième récepteur recevant le signal du huitième émetteur (T ₈ ).

Cette structure de réseau permet à chaque nœud d'entrée de former un groupe de 10 flux sortants, qui représentent ensemble l'ensemble du réseau d'entrée. Chaque groupe agit comme des synapses (récepteurs) pour un neurone descendant particulier. Cette caractéristique structurelle est illustrée dans l'image 1b .

Le but du collecteur est de diriger chaque entrée vers une synapse de chaque sortie, en suivant un modèle donné de distribution d'énergie.

Les chercheurs ont créé deux versions du système:

• uniforme - chaque synapse sortante est dotée de la même puissance;
• Gaussien - la synapse des neurones moyens de la couche ascendante reçoit la majeure partie de la puissance, et les synapses le long de la périphérie des neurones sont beaucoup plus petites.

Pour générer automatiquement des modèles pour les deux options, un script a été écrit dont les variables étaient responsables du nombre de neurones et des profils de distribution d'intensité.

L'élément le plus important du système est ce que l'on appelle le dispositif de rétraction et de transmission représenté sur l'image 1e . Ce dispositif se compose d'une sortie de faisceau et d'un coupleur interplan (ci-après IPC ) situés le plus près possible l'un de l'autre. La tâche de l'appareil est de dévier une certaine partie de la puissance du bus vers un guide d'onde perpendiculaire sur le plan supérieur.

Les guides d'ondes P ₁ et P _{2 se} rétrécissent de façon adiabatique et s'étendent jusqu'à une distance de 1,5 μm (reliant les lignes rouges et bleues de l'image 1e ) pour minimiser les pertes de diffusion sur toute leur longueur.

Pour clarifier, le guide d'onde P ₁ se rétrécit à une largeur de 400 nm à une distance de 12 µm, puis revient à sa largeur d'origine après 18 µm. De plus, P ₁ s'effile jusqu'à sa largeur minimale de 200 nm sur 12 μm. P ₂ , à son tour, ne répète ce schéma que dans l'ordre inverse. En conséquence, la longueur IPC totale est de 42 microns.

Lorsque le réseau a de telles dimensions, il est extrêmement important de lui fournir une gamme dynamique impressionnante de coefficients de suppression de puissance, ce qui permettra d'obtenir une distribution uniforme ou gaussienne.

Pour répondre à cette exigence, le collecteur utilise trois espaces de connexion et une longueur de connexion variable, ce qui permet d'élargir avec succès la gamme de distribution d'énergie du réseau.

L'écart de connexion est sélectionné par le script dans la table de recherche, où les données des calculs précédents des coefficients de prise sont collectées.

Les valeurs des trois espaces sont les suivantes: 300 nm, 400 nm et 500 nm. Et la longueur du composé varie de 2,7 microns à 19 microns.

Fabrication de collecteur

Le collecteur de photons a été fabriqué à l'intérieur des murs de l' installation de microfabrication Boulder de l' Institut national des normes et de la technologie.


À l'intérieur du laboratoire: le conservateur «salle blanche» John Nibarger examine un support pour une plaque conçue pour un outil de dépôt pour la pulvérisation de matériaux pour pulvériser des métaux précieux.

Le diamètre de la tranche de silicium était de 77 mm.


Image n ° 2: images optiques d'échantillons fabriqués

Le plan de deux guides d'ondes dans les échantillons est constitué d'un film de SiN (nitrure de silicium) de 400 nm d'épaisseur avec une distance interplanaire de 1,2 µm et une largeur nominale de 800 nm. Le matériau du film de SiN a été déposé à de très basses températures (24, 25 et 40 ° C) afin de minimiser les contraintes mécaniques et les disparités de dilatation thermique.

Le film de SiN avait un indice de réfraction de 1,96 et l'indice de perte de propagation des ondes était de ~ 5 dB / cm à une longueur d'onde de λ = 1310 nm.

De tous côtés, les guides d'ondes sont garnis de SiO ₂ déposé par plasma (dioxyde de silicium).

Collecteur uniformément réparti

Comme nous l'avons déjà compris, quelle que soit la puissance d'entrée, la même partie de l'alimentation doit être fournie à chaque synapse de sortie connectée. Par exemple, en dirigeant la lumière vers le nœud d'entrée Tx, nous devrions voir la distribution de puissance suivante: S _{x, 1} = S _{x, 2} = S _{x, 3} · · · = S _{x, 10} .


Image n ° 3b: image infrarouge du collecteur, qui montre comment la lumière apparaît du nœud sortant

Afin de satisfaire à cette exigence, le coefficient de distribution était de 0,1 à 0,5.


Image n ° 4

Dans l'image 4a , les indicateurs d'intensité mesurés sont collectés, et dans 4b , toutes les erreurs. Et nous voyons ici que malgré certaines erreurs, la plupart des synapses montrent une bonne uniformité.

Comme exemple, le niveau d'uniformité de puissance des nœuds sortants pour T ₈ (entrée) ( 4s ) est montré.

Les erreurs, à leur tour, sont calculées comme l'écart de chaque point par rapport à la valeur moyenne. Dans l'image 4d, la valeur moyenne a été mesurée à partir de la valeur absolue des erreurs dans chaque ligne de l'image 4b . En combinant toutes les données de calcul, les chercheurs ont obtenu une valeur d'erreur moyenne de 0,7 dB.

Un autre paramètre important pour l'étude était la dépendance spectrale du collecteur avec une distribution uniforme. Pour cela, une connexion a été établie avec un seul nœud d'entrée T ₈ , après quoi des observations de changements d'uniformité en sortie avec une longueur d'onde de balayage ont été effectuées.


Image n ° 5

La figure 5a montre la dépendance de la puissance à la longueur d'onde. 5b affiche toutes les erreurs.

La figure 5c montre que la plus petite valeur moyenne des erreurs est de 0,46 dB observée à une longueur d'onde de 1320 nm. Ce paramètre ne dépasse pas 1 dB même avec une bande passante de 50 nm.

Collecteur de distribution gaussien

Ce collecteur est réalisé de telle sorte que les synapses reçoivent de l'énergie selon le principe d'une enveloppe gaussienne.


Image n ° 6

La superposition de l'enveloppe sur la distribution de puissance synaptique déterminée expérimentalement pour le nœud d'entrée T _{8 a} montré un excellent accord ( 6c ).

Sinon, les mesures ont été effectuées selon le même schéma que pour le collecteur précédent.

L'image 6a est un ensemble d'indicateurs de la dépendance de la puissance à la longueur d'onde. 6b - erreurs.

Le graphique 6d est la valeur moyenne de la valeur absolue des erreurs calculées en tenant compte de toutes les séries de 6b . Ce chiffre était de 0,9 dB.

Ceci a été suivi d'une mesure de la dépendance spectrale. Comme pour le collecteur précédent, seul le nœud T _{8 a} participé aux mesures.


Image n ° 7

La dépendance de la puissance sur la longueur d'onde est illustrée sur l'image 7a , et l'erreur sur 7b .

De plus, à partir de l'image 7a , le mouvement du barycentre * de l' enveloppe vers la synapse avec le plus petit nombre est vu avec une longueur d'onde croissante.

Baricenter * - la position moyenne arithmétique de tous les points de la figure.

La plus petite valeur d'erreur, 0,42 dB, a été observée à une longueur d'onde de 1310 nm, comme le montre le graphique 7c .

Étant donné que les deux versions du collecteur ont la plus petite valeur d'erreur à environ la même longueur d'onde, on peut affirmer que le coefficient de prise peut être assez bien calibré à une longueur d'onde de 1310–1320 nm.

Résumé

Les mesures du nombre d'erreurs et de leur valeur moyenne dans les deux variantes de collecteur ont montré clairement que les nœuds de sortie avec un nombre plus élevé manquent de puissance, surtout s'ils sont connectés à des nœuds avec un nombre inférieur. Les scientifiques sont parvenus à la conclusion que cela est dû au grand nombre d'intersections de ces itinéraires de guides d'ondes, ce qui augmente les pertes par rapport aux autres itinéraires. De plus, les pertes de distribution s'accumulent jusqu'à 1 dB pour les routes les plus longues, ce qui affecte l'uniformité de la distribution d'énergie.

Un autre type d'erreur observée est les synapses sombre et claire qui sont clairement visibles dans les images ci-dessus (par exemple, synapse S _2.7 dans l'image 6b ). Un défaut similaire est très probablement associé à des dommages mécaniques lors de la planarisation (élimination des irrégularités de la surface de la plaque).

Il convient de noter que de telles erreurs peuvent être corrigées. Pour ce faire, vous devez ajuster le coefficient de prise afin que les synapses reçoivent plus de lumière. Une telle solution peut considérablement améliorer la répartition de l'énergie à travers le collecteur.

En d'autres termes, les erreurs les plus courantes dans cette expérience sont celles causées par des défauts accidentels lors de la fabrication de l'échantillon ou lors des études expérimentales elles-mêmes.

Les erreurs d'intensité peuvent affecter l'efficacité énergétique du système sans affecter le traitement des données. Mais cela dépend aussi du type de système lui-même.

Dans les systèmes neuromorphiques, chaque synapse a besoin d'un certain nombre minimum de photons pour provoquer une réaction. S'il y a des nœuds dans le réseau de distribution d'énergie optique entre le neurone et la synapse qui reçoivent par inadvertance un nombre anormalement petit de photons, alors il vous suffit d'augmenter l'apport de lumière générée par le neurone. Cela garantira que le signal optique arrive aux connexions les plus faibles.

Les mesures expérimentales d'un collecteur avec une distribution gaussienne ont montré une fois de plus qu'un tel dispositif peut être mis en œuvre pour différentes architectures de système en raison du degré élevé de contrôle sur le processus de distribution d'énergie.

Il est important de noter qu'un système utilisant de tels collecteurs est évolutif en ajoutant plus de nœuds d'entrée et de source. La seule chose qui éclipse de tels résultats positifs est la perte associée à l'intersection des guides d'ondes. Il a été constaté que le nombre maximal d'intersections sur une route est proportionnel au carré du nombre de nœuds.



Les pertes d'un passage sont de 6 mdB. Si le collecteur a 22 nœuds d'entrée et 22 nœuds source, le taux de perte total sera de 3 dB. Cela peut être évité très simplement - en augmentant l'espace interplanaire. Ainsi, les pertes seront minimes, bien que la taille de la puce augmente.

Pour une connaissance plus détaillée des documents de recherche, je vous recommande fortement de cliquer sur le lien.

Épilogue

Quelqu'un dira que les scientifiques engagés dans de telles recherches perdent du temps. Je ne serais pas si radical. Toute connaissance acquise au cours d'une expérience pratique ou d'une réflexion théorique est importante pour le bien commun de la science et, par conséquent, pour la vie de la société. C'est comme une petite pièce d'un puzzle, sans laquelle l'idée générale de l'image du puzzle ne changera pas, mais elle sera incomplète.

Comme l'a dit Georg Lichtenberg:

Les plus grandes choses du monde sont causées par d'autres que nous considérons comme insignifiantes. ("Les plus grandes choses du monde sont provoquées par d'autres choses que nous ne comptons pour rien.")

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