Jaringan Saraf Tiruan Fotonik

Dalam salah satu artikel sebelumnya, kami sudah berkenalan dengan salah satu studi di bidang sistem neuromorfik. Hari ini kita akan menyentuh topik ini lagi, tetapi ini bukan tentang membuat sel saraf buatan, tetapi tentang bagaimana menggabungkan sel-sel ini menjadi satu jaringan yang berfungsi. Lagi pula, otak manusia seperti jaring yang paling rumit di dunia, yang terdiri dari miliaran persimpangan dan koneksi neuron. Para peneliti telah menyarankan bahwa menggunakan cahaya sebagai pengganti listrik akan sangat menyederhanakan proses menciptakan jaringan saraf tiruan yang sebanding dalam kompleksitasnya dengan otak manusia. Selain kata-kata besar, perhitungan rumit dan jauh dari satu pengalaman, para ilmuwan menyediakan versi demo perangkat mereka. Bagaimana cara kerjanya, apa saja fitur-fiturnya, dan apa fungsinya untuk masa depan teknologi neuromorfik? Jawaban atas semua pertanyaan disembunyikan dalam laporan para peneliti. Masih menemukan mereka. Ayo pergi.

Para ilmuwan dari NIST (Institut Nasional Standar dan Teknologi) telah menciptakan sebuah chip yang dapat menggunakan sinyal cahaya karena memiliki dua "lapisan" pandu gelombang fotonik. Yang terakhir mengubah aliran cahaya menjadi pita sempit untuk mentransmisikan sinyal optik. Menurut para ilmuwan, pengembangan semacam itu akan memungkinkan penerapan sistem perutean sinyal yang rumit, yang juga dapat diperluas dengan menambahkan chip tambahan.

Struktur perangkat

Perlu dicatat bahwa kolektor foton yang secara eksperimental dijelaskan dalam penelitian ini bekerja terlepas dari panjang gelombang atau multiplexing waktu * .

Multiplexing sementara * - transmisi beberapa sinyal secara bersamaan pada satu saluran.

Gambar No. 1

Struktur kolektor didasarkan pada 2 bidang Waveguide yang terintegrasi secara vertikal. Pesawat yang lebih rendah (P ₁ ) diarahkan ke timur, sedangkan yang kedua (P ₂ ) adalah selatan, yang menghindari persimpangan.

Lampu dari P _{1 yang} dikumpulkan dari setiap simpul input diarahkan ke P ₂ ketika mulai bergerak ke arah timur. Rute ini mengurangi jumlah pandu gelombang yang terlibat karena setiap sinyal yang masuk dirutekan menggunakan konektor berbentuk bintang * .

Konektor berbentuk bintang * - perangkat yang menerima sinyal masuk dan mendistribusikannya ke beberapa yang keluar.

Kolektor diimplementasikan dari dua lapisan jaringan saraf dengan umpan balik, yang saling berhubungan:

1. 10 neuron asendens;
2. 10 turun neuron dengan 100 sinapsis.

Gambar 1c menunjukkan diagram bagian terpisah dari sistem yang menggambarkan struktur lapisan reservoir.

Catatan: laporan menggunakan singkatan yang terkait dengan gambar 1b dan 1c , yaitu _Tx (pemancar lapisan pertama neuron) dan S _{x, y} (sinapsis / penerima neuron dari lapisan kedua). Jadi, misalnya, S _8.3 adalah sinaps dari penerima ketiga yang menerima sinyal dari pemancar kedelapan (T ₈ ).

Struktur jaringan ini memungkinkan setiap simpul input untuk membentuk kelompok 10 aliran keluar, yang bersama-sama mewakili seluruh array input. Setiap kelompok bertindak seperti sinapsis (penerima) untuk neuron descending tertentu. Fitur struktural ini ditunjukkan pada gambar 1b .

Tujuan kolektor adalah mengarahkan setiap input ke satu sinapsis dari setiap output, mengikuti pola distribusi daya yang diberikan.

Para peneliti telah menciptakan dua versi sistem:

• seragam - setiap sinaps keluar disediakan dengan kekuatan yang sama;
• Gaussian - sinapsis dari neuron tengah pada lapisan menaik menerima sebagian besar kekuatan, dan sinapsis di sepanjang pinggiran neuron jauh lebih kecil.

Untuk secara otomatis menghasilkan templat untuk kedua opsi, sebuah skrip ditulis yang variabel-variabelnya bertanggung jawab atas jumlah neuron dan profil distribusi intensitas.

Elemen paling penting dari sistem adalah apa yang disebut perangkat retraksi dan transmisi yang ditunjukkan pada gambar 1e . Perangkat ini terdiri dari pemancar sinar dan coupler interplane (selanjutnya disebut IPC ) yang terletak sedekat mungkin satu sama lain. Tugas perangkat adalah mengalihkan bagian tertentu dari daya bus ke Waveguide tegak lurus pada bidang atas.

Waveguides P ₁ dan P _{2 secara} adiabatik menyempit dan meluas hingga jarak 1,5 μm (menghubungkan garis merah dan biru pada gambar 1e ) untuk meminimalkan kehilangan hamburan sepanjang panjangnya.

Untuk memperjelas, Waveguide P ₁ menyempit hingga lebar 400 nm pada jarak 12 μm, dan kemudian kembali ke lebar aslinya setelah 18 μm. Selanjutnya, P1 mengecil dengan lebar minimum 200 nm lebih dari 12 μm. P ₂ , pada gilirannya, mengulangi pola ini hanya dalam urutan terbalik. Hasilnya, total panjang IPC adalah 42 mikron.

Ketika jaringan memiliki dimensi seperti itu, sangat penting untuk menyediakannya dengan rentang dinamis yang mengesankan dari koefisien pelepasan daya, yang akan memungkinkan mencapai distribusi yang seragam atau Gaussian.

Untuk memenuhi persyaratan ini, kolektor menggunakan tiga celah penghubung dan panjang koneksi variabel, yang memungkinkan Anda untuk berhasil memperluas jangkauan distribusi daya jaringan.

Kesenjangan penghubung dipilih oleh skrip dari tabel pencarian, tempat data perhitungan sebelumnya dari koefisien keran dikumpulkan.

Nilai dari tiga celah adalah sebagai berikut: 300 nm, 400 nm dan 500 nm. Dan panjang senyawa bervariasi dari 2,7 mikron hingga 19 mikron.

Pembuatan kolektor

Kolektor foton dibuat di dalam dinding Fasilitas Microfabrication Boulder dari Institut Standar dan Teknologi Nasional.


Di dalam laboratorium: kurator "kamar bersih" John Nibarger memeriksa tempat untuk piring yang dirancang untuk alat pengendapan untuk menyemprot bahan untuk menyemprot logam mulia.

Diameter wafer silikon adalah 77 mm.


Gambar No. 2: gambar optik dari sampel yang diproduksi

Bidang dua pandu gelombang dalam sampel terdiri dari film SiN (silikon nitrida) setebal 400 nm dengan jarak antarplanar 1,2 μm dan lebar nominal 800 nm. Bahan untuk film SiN diendapkan pada suhu yang sangat rendah (24, 25, dan 40 ° C) untuk meminimalkan tekanan mekanis dan ketidaksesuaian ekspansi termal.

Film SiN memiliki indeks bias 1,96, dan indeks kehilangan propagasi gelombang adalah ~ 5 dB / cm pada panjang gelombang λ = 1310 nm.

Di semua sisi, pandu gelombang dilapisi dengan plasma yang diendapkan SiO ₂ (silikon dioksida).

Manifold terdistribusi secara merata

Seperti yang telah kita pahami, terlepas dari daya input, bagian yang sama dari daya harus dipasok ke setiap output sinaps yang terhubung. Misalnya, mengarahkan cahaya ke simpul input Tx, kita akan melihat distribusi daya berikut: S _{x, 1} = S _{x, 2} = S _{x, 3} · · · = S _{x, 10} .


Gambar No. 3b: gambar inframerah kolektor, yang menunjukkan bagaimana cahaya muncul dari node keluar

Untuk memenuhi persyaratan ini, koefisien distribusi dari 0,1 ke 0,5.


Gambar No. 4

Pada gambar 4a , indikator intensitas yang diukur dikumpulkan, dan dalam 4b , semua kesalahan. Dan di sini kita melihat bahwa meskipun ada beberapa kesalahan, sebagian besar sinapsis menunjukkan keseragaman yang baik.

Sebagai sampel, tingkat keseragaman daya dari node keluar untuk T8 (input) ( 4s ) ditampilkan.

Kesalahan, pada gilirannya, dihitung sebagai penyimpangan setiap titik dari nilai rata-rata. Pada gambar 4d, nilai rata - rata diukur dari nilai absolut kesalahan di setiap baris pada gambar 4b . Menggabungkan semua data perhitungan, para peneliti memperoleh nilai kesalahan rata-rata 0,7 dB.

Parameter penting lainnya untuk penelitian ini adalah ketergantungan spektral kolektor dengan distribusi seragam. Untuk ini, koneksi dibuat dengan hanya satu simpul input T8, setelah pengamatan perubahan keseragaman pada output dengan panjang gelombang pemindaian dilakukan.


Gambar No. 5

Gambar 5a menunjukkan ketergantungan daya pada panjang gelombang. 5b menampilkan semua kesalahan.

Gambar 5c menunjukkan bahwa nilai rata-rata kesalahan terkecil adalah 0,46 dB diamati pada panjang gelombang 1320 nm. Parameter ini tidak naik di atas 1 dB bahkan dengan passband 50 nm.

Pengumpul distribusi Gaussian

Kolektor ini dibuat sedemikian rupa sehingga sinapsis menerima kekuatan sesuai dengan prinsip amplop Gaussian.


Gambar No. 6

Superposisi amplop pada distribusi daya sinaptik yang ditentukan secara eksperimental untuk node input T8 menunjukkan kesepakatan yang sangat baik ( 6c ).

Jika tidak, pengukuran dilakukan sesuai dengan skema yang sama dengan kolektor sebelumnya.

Gambar 6a adalah seperangkat indikator ketergantungan daya pada panjang gelombang. 6b - kesalahan.

Grafik 6d adalah nilai rata-rata dari nilai absolut dari kesalahan yang dihitung dengan mempertimbangkan semua seri dari 6b . Angka ini 0,9 dB.

Ini diikuti oleh pengukuran ketergantungan spektral. Seperti kolektor sebelumnya, hanya simpul T8 yang berpartisipasi dalam pengukuran.


Gambar No. 7

Ketergantungan daya pada panjang gelombang ditunjukkan pada gambar 7a , dan kesalahan dalam 7b .

Juga, dari gambar 7a , pergerakan barycenter * dari amplop menuju sinaps dengan jumlah terendah terlihat dengan meningkatnya panjang gelombang.

Baricenter * - posisi rata-rata aritmatika dari semua titik dalam gambar.

Nilai kesalahan terkecil, 0,42 dB, diamati pada panjang gelombang 1310 nm, yang ditunjukkan pada grafik 7c .

Menimbang bahwa kedua versi pengumpul memiliki nilai kesalahan terkecil pada panjang gelombang yang kira-kira sama, dapat dikatakan bahwa koefisien keran dapat dikalibrasi dengan cukup baik pada panjang gelombang 1310–1320 nm.

Ringkasan

Pengukuran jumlah kesalahan dan nilai rata-rata mereka di kedua varian kolektor memperjelas bahwa simpul keluaran dengan angka yang lebih tinggi memiliki kekurangan daya, terutama jika mereka terhubung ke simpul dengan angka yang lebih rendah. Para ilmuwan sampai pada kesimpulan bahwa ini disebabkan oleh banyaknya persimpangan dari rute pandu gelombang ini, dan ini menambah kerugian dibandingkan dengan rute lain. Selain itu, kerugian distribusi menumpuk hingga 1 dB untuk rute terpanjang, yang mempengaruhi keseragaman distribusi daya.

Tipe lain dari kesalahan yang diamati adalah sinapsis gelap dan terang yang terlihat jelas pada gambar di atas (misalnya, sinaps S _2,7 pada gambar 6b ). Cacat serupa kemungkinan besar terkait dengan kerusakan mekanis selama planarisasi (penghapusan ketidakteraturan dari permukaan piring).

Perlu dicatat bahwa kesalahan semacam itu dapat diperbaiki. Untuk melakukan ini, Anda perlu menyesuaikan koefisien keran sehingga sinapsis menerima lebih banyak cahaya. Solusi semacam itu dapat secara signifikan meningkatkan distribusi daya di seluruh kolektor.

Dengan kata lain, kesalahan paling umum dalam percobaan ini adalah yang disebabkan oleh cacat tidak disengaja selama pembuatan sampel atau selama studi eksperimental itu sendiri.

Kesalahan dalam intensitas dapat mempengaruhi efisiensi energi sistem tanpa mempengaruhi pemrosesan data. Tetapi itu juga tergantung pada jenis sistem itu sendiri.

Dalam sistem neuromorfik, setiap sinaps membutuhkan jumlah minimum foton tertentu untuk memicu reaksi. Jika ada node dalam jaringan distribusi daya optik antara neuron dan sinapsis yang secara tidak sengaja menerima sejumlah kecil foton, maka Anda hanya perlu meningkatkan pasokan cahaya yang dihasilkan oleh neuron. Ini akan memastikan bahwa sinyal optik tiba pada koneksi terlemah.

Pengukuran eksperimental kolektor dengan distribusi Gaussian sekali lagi menunjukkan bahwa perangkat seperti itu dapat diimplementasikan untuk arsitektur sistem yang berbeda karena tingkat kontrol yang tinggi terhadap proses distribusi daya.

Penting untuk dicatat bahwa sistem yang menggunakan kolektor seperti itu dapat diskalakan dengan menambahkan lebih banyak input dan node sumber. Satu-satunya hal yang membayangi hasil positif tersebut adalah kerugian yang terkait dengan persimpangan pandu gelombang. Ditemukan bahwa jumlah maksimum persimpangan pada satu rute sebanding dengan kuadrat dari jumlah node.



Kerugian dari satu persimpangan adalah 6 mdB. Jika kolektor memiliki 22 input dan 22 node sumber, maka laju kehilangan total adalah 3 dB. Ini dapat dihindari dengan sangat sederhana - dengan menambah ruang antarplanar. Dengan demikian, kerugian akan minimal, meskipun ukuran chip akan meningkat.

Untuk kenalan yang lebih terperinci dengan materi penelitian, saya sangat menyarankan Anda mengklik tautan tersebut.

Epilog

Seseorang akan mengatakan bahwa para ilmuwan yang terlibat dalam penelitian semacam itu membuang-buang waktu. Saya tidak akan begitu radikal. Setiap pengetahuan yang diperoleh dalam perjalanan pengalaman praktis atau pemikiran ulang teoretis adalah penting untuk kebaikan bersama ilmu pengetahuan dan, sebagai konsekuensinya, dari kehidupan masyarakat. Ini seperti sepotong kecil puzzle, yang tanpanya ide umum gambar puzzle tidak akan berubah, tetapi itu akan menjadi tidak lengkap.

Seperti yang dikatakan Georg Lichtenberg:

Hal-hal terbesar di dunia disebabkan oleh orang lain yang kita anggap tidak penting. ("Hal-hal terbesar di dunia disebabkan oleh hal-hal lain yang tidak kita perhitungkan.")

Terima kasih telah tinggal bersama kami. Apakah Anda suka artikel kami? Ingin melihat materi yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikannya kepada teman-teman Anda, diskon 30% untuk pengguna Habr pada analog unik dari server entry-level yang kami temukan untuk Anda: Seluruh kebenaran tentang VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps dari $ 20 atau bagaimana membagi server? (opsi tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).

Dell R730xd 2 kali lebih murah? Hanya kami yang memiliki 2 x Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 249 di Belanda dan Amerika Serikat! Baca tentang Cara Membangun Infrastruktur Bldg. kelas menggunakan server Dell R730xd E5-2650 v4 seharga 9.000 euro untuk satu sen?