फोटोनिक आर्टिफिशियल न्यूरल नेटवर्क

पिछले लेखों में से एक में , हम पहले से ही न्यूरोमॉर्फिक सिस्टम के क्षेत्र में एक अध्ययन से परिचित हो गए। आज हम इस विषय पर फिर से विचार करेंगे, लेकिन यह कृत्रिम तंत्रिका कोशिका बनाने के बारे में नहीं होगा, बल्कि इन कोशिकाओं को एक कार्यशील नेटवर्क में कैसे संयोजित किया जाए। आखिरकार, मानव मस्तिष्क दुनिया के सबसे जटिल वेब की तरह है, जिसमें अरबों चौराहों और न्यूरॉन्स के कनेक्शन शामिल हैं। शोधकर्ताओं ने सुझाव दिया है कि बिजली के बजाय प्रकाश का उपयोग मानव मस्तिष्क में जटिलता में तुलनीय कृत्रिम तंत्रिका नेटवर्क बनाने की प्रक्रिया को बहुत सरल करेगा। बड़े शब्दों के अलावा, जटिल गणना और एक अनुभव से बहुत दूर, वैज्ञानिकों ने अपने डिवाइस का एक कामकाजी डेमो संस्करण प्रदान किया। यह कैसे काम करता है, इसकी विशेषताएं क्या हैं और यह भविष्य में न्यूरोमॉर्फिक प्रौद्योगिकियों के लिए क्या करता है? शोधकर्ताओं की रिपोर्ट में सभी सवालों के जवाब छिपे हैं। यह उन्हें खोजने के लिए बनी हुई है। चलो चलते हैं।

एनआईएसटी (नेशनल इंस्टीट्यूट ऑफ स्टैंडर्ड एंड टेक्नोलॉजी) के वैज्ञानिकों ने एक चिप बनाई है जो प्रकाश संकेतों का उपयोग कर सकती है क्योंकि इसमें फोटोनिक वेवगाइड की दो "परतें" होती हैं। उत्तरार्द्ध ऑप्टिकल संकेतों को प्रेषित करने के लिए प्रकाश धाराओं को संकीर्ण बैंड में बदल देता है। वैज्ञानिकों के अनुसार, इस तरह के विकास से जटिल सिग्नल रूटिंग सिस्टम के कार्यान्वयन की अनुमति मिलेगी, जिसे अतिरिक्त चिप्स जोड़कर भी विस्तारित किया जा सकता है।

डिवाइस की संरचना

यह ध्यान देने योग्य है कि अध्ययन में वर्णित फोटॉन कलेक्टर को तरंग दैर्ध्य या समय मल्टीप्लेक्सिंग की परवाह किए बिना कार्य करता है * ।

अस्थायी मल्टीप्लेक्सिंग * - एक चैनल पर एक साथ कई संकेतों का प्रसारण।

चित्र संख्या 1

कलेक्टर संरचना 2 लंबवत एकीकृत वेवगाइड विमानों पर आधारित है। निचला विमान (पी ₁ ) पूर्व की ओर निर्देशित है, जबकि दूसरा (पी ₂ ) दक्षिण में है, जो चौराहों से बचता है।

प्रत्येक इनपुट नोड से एकत्र पी ₁ से प्रकाश पी ₂ को निर्देशित किया जाता है जब यह पूर्व दिशा में बढ़ना शुरू करता है। यह राउटिंग शामिल तरंगों की संख्या को कम करता है क्योंकि प्रत्येक आने वाले सिग्नल को स्टार-आकार के कनेक्टर * का उपयोग करके रूट किया जाता है।

स्टार-आकार का कनेक्टर * - एक उपकरण जो एक आने वाले संकेत प्राप्त करता है और इसे कई आउटगोइंग वाले में वितरित करता है।

कलेक्टर एक तंत्रिका नेटवर्क की दो परतों से प्रतिक्रिया के साथ लागू किया जाता है, परस्पर:

1. 10 आरोही न्यूरॉन्स;
2. 100 सिनैप्स के साथ 10 अवरोही न्यूरॉन्स।

चित्रा 1c सिस्टम के एक अलग खंड का एक आरेख दिखाता है जो जलाशय की परतों की संरचना का वर्णन करता है।

टिप्पणी: रिपोर्ट छवियों 1 बी और 1 सी , अर्थात् टी _एक्स (न्यूरॉन्स की पहली परत के ट्रांसमीटर) और एस _{एक्स, वाई} (दूसरी परत के न्यूरॉन्स के synapses / रिसीवर) के साथ जुड़े संक्षिप्तीकरण का उपयोग करती है। इस प्रकार, उदाहरण के लिए, S _8.3 आठ रिसीवर का संकेत है जो आठवें ट्रांसमीटर (टी ₈ ) से संकेत प्राप्त कर रहा है।

यह नेटवर्क संरचना प्रत्येक इनपुट नोड को 10 आउटगोइंग स्ट्रीम का एक समूह बनाने की अनुमति देता है, जो एक साथ पूरे इनपुट सरणी का प्रतिनिधित्व करते हैं। प्रत्येक समूह एक विशेष अवरोही न्यूरॉन के लिए सिनैप्स (रिसीवर) की तरह कार्य करता है। यह संरचनात्मक विशेषता छवि 1 बी में दिखाई गई है।

कलेक्टर का लक्ष्य बिजली वितरण के दिए गए पैटर्न का पालन करते हुए प्रत्येक इनपुट को प्रत्येक आउटपुट के एक सिंक पर निर्देशित करना है।

शोधकर्ताओं ने सिस्टम के दो संस्करण बनाए हैं:

• वर्दी - प्रत्येक आउटगोइंग सिंक को एक ही शक्ति प्रदान की जाती है;
• गाऊसी - आरोही परत के मध्य न्यूरॉन्स से सिंकैप्स को अधिकांश शक्ति प्राप्त होती है, और न्यूरॉन्स की परिधि के साथ सिंकैप्स बहुत छोटे होते हैं।

स्वचालित रूप से दोनों विकल्पों के लिए टेम्पलेट्स उत्पन्न करने के लिए, एक स्क्रिप्ट लिखी गई थी जिसके चर न्यूरॉन्स और तीव्रता वितरण प्रोफाइल की संख्या के लिए जिम्मेदार थे।

सिस्टम का सबसे महत्वपूर्ण तत्व छवि 1e में दिखाया गया तथाकथित प्रत्यावर्तन और ट्रांसमिशन डिवाइस है। इस उपकरण में एक बीम निकास और इंटरप्लेन कपलर (बाद में आईपीसी ) होते हैं जो एक दूसरे के करीब संभव होते हैं। उपकरण का कार्य बस शक्ति के एक निश्चित भाग को ऊपरी तल पर लंबवत वेवगाइड पर मोड़ना है।

वेवगाइड्स पी ₁ और पी ₂ एडियाबेटिक रूप से संकीर्ण होते हैं और उनकी पूरी लंबाई के साथ बिखरने वाले नुकसान को कम करने के लिए 1.5 माइक्रोन (छवि 1 ई में लाल और नीली रेखाओं को जोड़ने) की दूरी तक विस्तारित होते हैं।

स्पष्ट करने के लिए, वेवगाइड पी ₁ 12 माइक्रोन की दूरी पर 400 एनएम की चौड़ाई तक फैलता है, और फिर 18 माइक्रोन के बाद अपनी मूल चौड़ाई पर लौटता है। इसके अलावा, पी ₁ टेपर 12 माइक्रोन से अधिक 200 एनएम की अपनी न्यूनतम चौड़ाई के लिए। पी ₂ , बदले में, इस पैटर्न को केवल रिवर्स ऑर्डर में दोहराता है। नतीजतन, आईपीसी की कुल लंबाई 42 माइक्रोन है।

जब नेटवर्क में ऐसे आयाम होते हैं, तो इसे बिजली हटाने वाले गुणांक के एक प्रभावशाली गतिशील रेंज के साथ प्रदान करना बेहद महत्वपूर्ण है, जो एक समान या गौसियन वितरण को प्राप्त करने की अनुमति देगा।

इस आवश्यकता को पूरा करने के लिए, कलेक्टर तीन कनेक्टिंग गैप और एक चर कनेक्शन लंबाई का उपयोग करता है, जो आपको नेटवर्क के विद्युत वितरण की सीमा का सफलतापूर्वक विस्तार करने की अनुमति देता है।

कनेक्टिंग गैप को खोज तालिका से स्क्रिप्ट द्वारा चुना जाता है, जहां टैप गुणांक के पिछले गणना के डेटा एकत्र किए जाते हैं।

तीन अंतराल के मूल्य इस प्रकार हैं: 300 एनएम, 400 एनएम और 500 एनएम। और यौगिक की लंबाई 2.7 माइक्रोन से 19 माइक्रोन तक भिन्न होती है।

कलेक्टर निर्माण

फोटॉन कलेक्टर को नेशनल इंस्टीट्यूट ऑफ स्टैंडर्ड एंड टेक्नोलॉजी के बोल्डर माइक्रोफैब्रिकेशन सुविधा की दीवारों के भीतर निर्मित किया गया था।


प्रयोगशाला के अंदर: "cleanroom" क्यूरेटर जॉन निबर्गर कीमती धातुओं को स्प्रे करने के लिए सामग्री छिड़काव के लिए एक बयान उपकरण के लिए डिज़ाइन की गई प्लेट के लिए एक धारक की जांच करता है।

सिलिकॉन वेफर का व्यास 77 मिमी था।


छवि नंबर 2: निर्मित नमूनों की ऑप्टिकल छवियां

नमूनों में दो waveguides के विमान में एक SiN फिल्म (सिलिकॉन नाइट्राइड) 400 एनएम मोटी होती है, जिसमें 1.2 माइक्रोन की अंतरप्लानर दूरी और 800 एनएम की मामूली चौड़ाई होती है। यांत्रिक तनाव और थर्मल विस्तार बेमेल को कम करने के लिए SiN फिल्म के लिए सामग्री बहुत कम तापमान (24, 25 और 40 डिग्री सेल्सियस) पर जमा की गई थी।

SiN फिल्म में 1.96 का अपवर्तक सूचकांक था, और तरंग प्रसार हानि सूचकांक λ = 1310 एनएम के तरंग दैर्ध्य पर ~ 5 डीबी / सेमी था।

सभी पक्षों पर, वेवगाइड्स प्लाज्मा जमा SiO ₂ (सिलिकॉन डाइऑक्साइड) के साथ पंक्तिबद्ध हैं।

समान रूप से वितरित कई गुना

जैसा कि हम पहले से ही समझते थे, इनपुट पावर की परवाह किए बिना, पावर का एक ही हिस्सा प्रत्येक कनेक्टेड आउटपुट सिंक पर आपूर्ति की जानी चाहिए। उदाहरण के लिए, प्रकाश को इनपुट नोड टीएक्स पर निर्देशित करते हुए, हमें निम्नलिखित बिजली वितरण देखना चाहिए: एस _{एक्स, 1} = एस _{एक्स, 2} = एस _{एक्स, 3} · · · एस = _{एक्स, 10} ।


छवि संख्या 3 बी: कलेक्टर की अवरक्त छवि, जो दिखाती है कि निवर्तमान नोड से प्रकाश कैसे प्रकट होता है

इस आवश्यकता को पूरा करने के लिए, वितरण गुणांक 0.1 से 0.5 तक था।


चित्र संख्या 4

छवि 4 ए में , मापा तीव्रता संकेतक एकत्र किए जाते हैं, और 4 बी में , सभी त्रुटियां। और यहां हम देखते हैं कि कुछ त्रुटियों के बावजूद, अधिकांश सिनेप्स अच्छी एकरूपता दिखाते हैं।

नमूने के रूप में, T ₈ (इनपुट) ( 4s ) के लिए आउटगोइंग नोड्स की शक्ति एकरूपता स्तर दिखाया गया है।

बदले में, औसत मूल्य से प्रत्येक बिंदु के विचलन के रूप में गणना की जाती है। छवि 4 डी में, औसत मूल्य को छवि 4 बी में प्रत्येक पंक्ति में त्रुटियों के पूर्ण मूल्य से मापा गया था। सभी गणना आंकड़ों को मिलाकर, शोधकर्ताओं ने औसत त्रुटि मान 0.7 डीबी प्राप्त किया।

अध्ययन के लिए एक और महत्वपूर्ण पैरामीटर एक समान वितरण के साथ कलेक्टर की वर्णक्रमीय निर्भरता था। इसके लिए, केवल एक इनपुट नोड टी _{8 के} साथ एक कनेक्शन स्थापित किया गया था, जिसके बाद स्कैनिंग तरंग दैर्ध्य के साथ आउटपुट में एकरूपता में परिवर्तन के अवलोकन किए गए थे।


चित्र संख्या 5

चित्र 5a तरंग दैर्ध्य पर शक्ति की निर्भरता को दर्शाता है। 5 बी सभी त्रुटियों को प्रदर्शित करता है।

चित्रा 5 सी से पता चलता है कि त्रुटियों का सबसे छोटा औसत मूल्य 0.46 डीबी है जो 1320 एनएम के तरंग दैर्ध्य पर मनाया जाता है। यह पैरामीटर 50 एनएम के पासबैंड के साथ भी 1 डीबी से ऊपर नहीं बढ़ता है।

गौसियन वितरण कलेक्टर

इस कलेक्टर को इस तरह से बनाया गया है कि सिनैप्स को गॉसियन लिफाफे के सिद्धांत के अनुसार शक्ति प्राप्त होती है।


चित्र संख्या 6

इनपुट नोड टी _{8 के} लिए प्रयोगात्मक रूप से निर्धारित synaptic बिजली वितरण पर लिफाफे के सुपरपोजिशन ने उत्कृष्ट समझौता ( 6c ) दिखाया।

अन्यथा, पिछले कलेक्टर के साथ उसी योजना के अनुसार माप किए गए थे।

छवि 6 ए वेवलेंथ पर शक्ति की निर्भरता के संकेतक का एक सेट है। 6 बी - त्रुटियों।

ग्राफ 6d 6b से सभी श्रृंखलाओं को ध्यान में रखते हुए गणना की गई त्रुटियों के निरपेक्ष मान का औसत मूल्य है। यह आंकड़ा 0.9 डीबी था।

इसके बाद वर्णक्रमीय निर्भरता का मापन किया गया। पिछले कलेक्टर के साथ, केवल टी ₈ नोड ने माप में भाग लिया।


चित्र संख्या 7

तरंग दैर्ध्य पर शक्ति की निर्भरता छवि 7 ए और 7 बी में त्रुटि को दिखाया गया है।

इसके अलावा, छवि 7 ए से , सबसे कम संख्या के साथ सिंकैप की ओर लिफाफे के बायरसेंटर * की गति को बढ़ती तरंग दैर्ध्य के साथ देखा जाता है।

बैरिकेंटर * - आकृति में सभी बिंदुओं की अंकगणितीय औसत स्थिति।

सबसे छोटी त्रुटि मान, 0.42 डीबी, 1310 एनएम के तरंग दैर्ध्य पर देखा गया था, जिसे ग्राफ 7c में दिखाया गया है।

यह देखते हुए कि कलेक्टर के दोनों संस्करणों में लगभग समान तरंग दैर्ध्य में सबसे छोटी त्रुटि मूल्य है, यह तर्क दिया जा सकता है कि नल गुणांक को 1310–1320 एनएम के तरंग दैर्ध्य में काफी अच्छी तरह से कैलिब्रेट किया जा सकता है।

संक्षेप

दोनों कलेक्टर वेरिएंट में त्रुटियों की संख्या और उनके औसत मूल्य के मापन ने यह स्पष्ट कर दिया कि अधिक संख्या वाले आउटपुट नोड्स में शक्ति की कमी है, खासकर अगर वे कम संख्या वाले नोड्स से जुड़े हैं। वैज्ञानिक इस निष्कर्ष पर पहुंचे कि यह इन वेवगाइड मार्गों की बड़ी संख्या के चौराहों के कारण है, और इससे अन्य मार्गों की तुलना में नुकसान बढ़ता है। इसके अलावा, वितरण घाटा सबसे लंबे मार्गों के लिए 1 डीबी तक जमा होता है, जो बिजली वितरण की एकरूपता को प्रभावित करता है।

एक अन्य प्रकार की अवलोकन त्रुटि डार्क और लाइट सिंकैप्स है जो ऊपर की छवियों में स्पष्ट रूप से दिखाई देती है (उदाहरण के लिए, छवि 6 बी में सिंकैप एस _2.7 )। एक समान दोष सबसे अधिक संभावना है कि प्लैनराइजेशन (प्लेट की सतह से अनियमितताओं को हटाने) के दौरान यांत्रिक क्षति से जुड़ा हुआ है।

यह ध्यान देने योग्य है कि ऐसी त्रुटियां ठीक की जा सकती हैं। ऐसा करने के लिए, आपको टैप गुणांक को समायोजित करने की आवश्यकता है ताकि सिनेप्स अधिक प्रकाश प्राप्त करें। इस तरह के समाधान से कलेक्टर भर में बिजली के वितरण में काफी सुधार हो सकता है।

दूसरे शब्दों में, इस प्रयोग में सबसे आम त्रुटियां वे हैं जो नमूना के निर्माण के दौरान या प्रयोगात्मक अध्ययनों के दौरान आकस्मिक दोषों के कारण होती हैं।

तीव्रता में त्रुटियां डाटा प्रोसेसिंग को प्रभावित किए बिना सिस्टम की ऊर्जा दक्षता को प्रभावित कर सकती हैं। लेकिन यह स्वयं सिस्टम के प्रकार पर भी निर्भर करता है।

न्यूरोमॉर्फिक सिस्टम में, प्रत्येक सिनाप्स को प्रतिक्रिया को भड़काने के लिए एक निश्चित न्यूनतम संख्या में फोटोन की आवश्यकता होती है। यदि न्यूरॉन और अन्तर्ग्रथन के बीच ऑप्टिकल बिजली वितरण नेटवर्क में नोड्स हैं जो अनजाने में फोटॉनों की एक असामान्य रूप से छोटी संख्या प्राप्त करते हैं, तो आपको बस न्यूरॉन द्वारा उत्पन्न प्रकाश की आपूर्ति बढ़ाने की आवश्यकता है। यह सुनिश्चित करेगा कि ऑप्टिकल सिग्नल सबसे कमजोर कनेक्शन पर पहुंचे।

एक गौसेन वितरण के साथ एक कलेक्टर के प्रायोगिक माप ने एक बार फिर दिखाया कि इस तरह के उपकरण को बिजली वितरण प्रक्रिया पर उच्च डिग्री नियंत्रण के कारण विभिन्न सिस्टम आर्किटेक्चर के लिए लागू किया जा सकता है।

यह ध्यान रखना महत्वपूर्ण है कि ऐसे कलेक्टरों का उपयोग करने वाला सिस्टम अधिक इनपुट और स्रोत नोड्स जोड़कर स्केलेबल है। केवल एक चीज जो इस तरह के सकारात्मक परिणामों की देखरेख करती है, वह है तरंगों के प्रतिच्छेदन से जुड़ा नुकसान। यह पाया गया कि एक मार्ग पर अधिकतम चौराहों की संख्या नोड्स की संख्या के वर्ग के समानुपाती होती है।



एक क्रॉसिंग से नुकसान 6 mdB हैं। यदि कलेक्टर के पास 22 इनपुट और 22 स्रोत नोड हैं, तो कुल हानि दर 3 डीबी होगी। यह बहुत सरलता से बचा जा सकता है - इंटरप्लेनार स्पेस को बढ़ाकर। इस प्रकार, नुकसान न्यूनतम होगा, हालांकि चिप का आकार बढ़ जाएगा।

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उपसंहार

कोई कहेगा कि इस तरह के शोध में लगे वैज्ञानिक समय बर्बाद कर रहे हैं। मैं इतना कट्टरपंथी नहीं होता। किसी भी व्यावहारिक अनुभव या सैद्धांतिक पुनर्विचार के दौरान प्राप्त कोई भी ज्ञान विज्ञान के सामान्य भलाई के लिए महत्वपूर्ण है और, परिणामस्वरूप, समाज के जीवन के लिए। यह एक पहेली के एक छोटे टुकड़े की तरह है, जिसके बिना पहेली की तस्वीर का सामान्य विचार नहीं बदलेगा, लेकिन यह अधूरा होगा।

जैसा कि जॉर्ज लिचेंबर्ग ने कहा:

दुनिया में सबसे बड़ी चीजें दूसरों के कारण होती हैं जिन्हें हम महत्वहीन मानते हैं। ("दुनिया में सबसे बड़ी चीजों को अन्य चीजों के बारे में लाया जाता है जिन्हें हम कुछ भी नहीं के रूप में गिनते हैं।"

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