Rede neural artificial fotônica

Em um dos artigos anteriores, já nos familiarizamos com um dos estudos no campo dos sistemas neuromórficos. Hoje abordaremos esse tópico novamente, mas não será sobre a criação de uma célula nervosa artificial, mas sobre como combinar essas células em uma rede em funcionamento. Afinal, o cérebro humano é como a teia mais complexa do mundo, consistindo em bilhões de interseções e conexões de neurônios. Os pesquisadores sugeriram que o uso da luz em vez da eletricidade simplificará bastante o processo de criação de uma rede neural artificial comparável em complexidade ao cérebro humano. Além de grandes palavras, cálculos complicados e longe de uma experiência, os cientistas forneceram uma versão demo funcional de seus dispositivos. Como funciona, quais são suas características e o que isso traz para o futuro das tecnologias neuromórficas? As respostas para todas as perguntas estão ocultas no relatório dos pesquisadores. Resta encontrá-los. Vamos lá

Cientistas do NIST (Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia) criaram um chip que pode usar sinais de luz porque possui duas "camadas" de guias de ondas fotônicos. Estes transformam fluxos de luz em bandas estreitas para transmitir sinais ópticos. Segundo os cientistas, esse desenvolvimento permitirá a implementação de sistemas complexos de roteamento de sinal, que também podem ser expandidos com a adição de chips adicionais.

Estrutura do dispositivo

Vale ressaltar que o coletor de fótons descrito experimentalmente no estudo funciona independentemente do comprimento de onda ou da multiplexação no tempo * .

Multiplexagem temporária * - transmissão de vários sinais simultaneamente em um canal.

Imagem Nº 1

A estrutura do coletor é baseada em dois planos de guia de ondas verticalmente integrados. O plano inferior (P ₁ ) é direcionado para leste, enquanto o segundo (P ₂ ) é sul, o que evita interseções.

A luz de P ₁ coletada de cada nó de entrada é direcionada para P2 quando começa a se mover na direção leste. Esse roteamento reduz o número de guias de ondas envolvidos, pois cada sinal de entrada é roteado usando um conector em forma de estrela * .

Conector em forma de estrela * - um dispositivo que recebe um sinal de entrada e o distribui em vários sinais de saída.

O coletor é implementado a partir de duas camadas de uma rede neural com feedback interconectado:

1. 10 neurônios ascendentes;
2. 10 neurônios descendentes com 100 sinapses.

A Figura 1c mostra um diagrama de uma seção separada do sistema que descreve a estrutura das camadas do reservatório.

Observação: o relatório usa abreviações associadas às imagens 1b e 1c , a saber, Tx (transmissores da primeira camada de neurônios) e Sx _{, y} (sinapses / receptores de neurônios da segunda camada). Assim, por exemplo, S _8.3 é a sinapse do terceiro receptor que recebe o sinal do oitavo transmissor (T ₈ ).

Essa estrutura de rede permite que cada nó de entrada forme um grupo de 10 fluxos de saída, que juntos representam toda a matriz de entrada. Cada grupo age como sinapses (receptores) de um neurônio descendente específico. Esta característica estrutural é mostrada na imagem 1b .

O objetivo do coletor é direcionar cada entrada para uma sinapse de cada saída, seguindo um determinado padrão de distribuição de energia.

Os pesquisadores criaram duas versões do sistema:

• uniforme - cada sinapse de saída é fornecida com o mesmo poder;
• Gaussiana - a sinapse dos neurônios do meio da camada ascendente recebe a maior parte do poder, e as sinapses ao longo da periferia dos neurônios são muito menores.

Para gerar automaticamente modelos para as duas opções, foi escrito um script cujas variáveis ​​foram responsáveis ​​pelo número de neurônios e perfis de distribuição de intensidade.

O elemento mais importante do sistema é o chamado dispositivo de retração e transmissão mostrado na imagem 1e . Este dispositivo consiste em uma saída de feixe e um acoplador entre planos (daqui em diante IPC ) localizados o mais próximo possível um do outro. A tarefa do dispositivo é desviar uma certa parte da energia do barramento para um guia de ondas perpendicular no plano superior.

Os guias de onda P ₁ e P2 adiabaticamente estreitam e se expandem a uma distância de 1,5 μm (conectando as linhas vermelha e azul na imagem 1e ) para minimizar as perdas de espalhamento ao longo de todo o seu comprimento.

Para esclarecer, o guia de ondas P ₁ diminui para uma largura de 400 nm a uma distância de 12 μm e depois retorna à sua largura original após 18 μm. Além disso, P ₁ diminui para a largura mínima de 200 nm acima de 12 μm. P2, por sua vez, repete esse padrão apenas na ordem inversa. Como resultado, o comprimento total do IPC é de 42 microns.

Quando a rede possui essas dimensões, é extremamente importante fornecer uma impressionante faixa dinâmica de coeficientes de remoção de energia, o que permitirá obter uma distribuição uniforme ou gaussiana.

Para atender a esse requisito, o coletor usa três intervalos de conexão e um comprimento de conexão variável, o que permite expandir com êxito o alcance da distribuição de energia da rede.

A diferença de conexão é selecionada pelo script na tabela de pesquisa, onde são coletados os dados dos cálculos anteriores dos coeficientes de derivação.

Os valores das três lacunas são os seguintes: 300 nm, 400 nm e 500 nm. E o comprimento do composto varia de 2,7 a 19 micra.

Fabricação de coletor

O coletor de fótons foi fabricado dentro das paredes da Instalação de Microfabricação de Boulder do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia.


Dentro do laboratório: John Nibarger, curador de “salas limpas”, examina um suporte para uma placa projetada para uma ferramenta de deposição para pulverizar materiais para pulverizar metais preciosos.

O diâmetro da pastilha de silicone era de 77 mm.


Imagem nº 2: imagens ópticas de amostras fabricadas

O plano de dois guias de onda nas amostras consiste em um filme de SiN (nitreto de silício) com 400 nm de espessura, com uma distância interplanar de 1,2 μm e uma largura nominal de 800 nm. O material para o filme SiN foi depositado em temperaturas muito baixas (24, 25 e 40 ° C) para minimizar o estresse mecânico e a incompatibilidade de expansão térmica.

O filme de SiN tinha um índice de refração de 1,96, e o índice de perda de propagação de ondas era de ~ 5 dB / cm com um comprimento de onda de λ = 1310 nm.

Por todos os lados, os guias de onda são revestidos com SiO ₂ depositado no plasma (dióxido de silício).

Distribuidor uniformemente distribuído

Como já entendemos, independentemente da energia de entrada, a mesma parte da energia deve ser fornecida a cada sinapse de saída conectada. Por exemplo, direcionando a luz para o nó de entrada Tx, devemos ver a seguinte distribuição de energia: S _{x, 1} = S _{x, 2} = S _{x, 3} · · = S _{x, 10} .


Imagem nº 3b: imagem infravermelha do coletor, que mostra como a luz aparece no nó de saída

Para atender a esse requisito, o coeficiente de distribuição foi de 0,1 a 0,5.


Imagem No. 4

Na imagem 4a , os indicadores de intensidade medidos são coletados e, em 4b , todos os erros. E aqui vemos que, apesar de alguns erros, a maioria das sinapses mostra boa uniformidade.

Como amostra, é mostrado o nível de uniformidade de energia dos nós de saída para T ₈ (entrada) ( 4s ).

Os erros, por sua vez, são calculados como o desvio de cada ponto do valor médio. Na imagem 4d, o valor médio foi medido a partir do valor absoluto dos erros em cada linha na imagem 4b . Combinando todos os dados de cálculo, os pesquisadores obtiveram um valor médio de erro de 0,7 dB.

Outro parâmetro importante para o estudo foi a dependência espectral do coletor com distribuição uniforme. Para isso, foi estabelecida uma conexão com apenas um nó de entrada T ₈ , após o qual foram realizadas observações de alterações na uniformidade na saída com comprimento de onda de varredura.


Imagem No. 5

A Figura 5a mostra a dependência de energia no comprimento de onda. 5b exibe todos os erros.

A Figura 5c mostra que o menor valor médio de erros é de 0,46 dB, observado em um comprimento de onda de 1320 nm. Este parâmetro não ultrapassa 1 dB, mesmo com uma banda passante de 50 nm.

Coletor de distribuição gaussiano

Este coletor é feito de tal maneira que as sinapses recebem poder de acordo com o princípio de um envelope gaussiano.


Imagem Nº 6

A superposição do envelope na distribuição de potência sináptica determinada experimentalmente para o nó de entrada T ₈ mostrou excelente concordância ( 6c ).

Caso contrário, as medições foram realizadas de acordo com o mesmo esquema do coletor anterior.

A imagem 6a é um conjunto de indicadores da dependência de energia no comprimento de onda. 6b - erros.

O gráfico 6d é o valor médio do valor absoluto dos erros calculados considerando todas as séries de 6b . Este valor foi de 0,9 dB.

Isto foi seguido por uma medição da dependência espectral. Como no coletor anterior, apenas o nó T ₈ participou das medições.


Imagem Nº 7

A dependência de energia no comprimento de onda é mostrada na imagem 7a e o erro em 7b .

Além disso, a partir da imagem 7a , o movimento do baricentro * do envelope em direção à sinapse com o número mais baixo é visto com o aumento do comprimento de onda.

Baricenter * - a posição média aritmética de todos os pontos da figura.

O menor valor de erro, 0,42 dB, foi observado no comprimento de onda de 1310 nm, mostrado no gráfico 7c .

Considerando que ambas as versões do coletor têm o menor valor de erro aproximadamente no mesmo comprimento de onda, pode-se argumentar que o coeficiente de derivação pode ser calibrado muito bem em um comprimento de onda de 1310 a 1320 nm.

Sumário

As medições do número de erros e seu valor médio nas duas variantes do coletor deixaram claro que os nós de saída com um número mais alto têm falta de energia, principalmente se estiverem conectados a nós com um número mais baixo. Os cientistas chegaram à conclusão de que isso se deve ao grande número de cruzamentos dessas rotas de guias de ondas, e isso aumenta as perdas em comparação com outras rotas. Além disso, as perdas de distribuição acumulam até 1 dB nas rotas mais longas, o que afeta a uniformidade da distribuição de energia.

Outro tipo de erro observado são as sinapses escuras e claras que são claramente visíveis nas imagens acima (por exemplo, sinapse S _2.7 na imagem 6b ). Um defeito semelhante está provavelmente associado a danos mecânicos durante a planarização (remoção de irregularidades da superfície da placa).

Vale ressaltar que esses erros podem ser corrigidos. Para fazer isso, você precisa ajustar o coeficiente de toque para que as sinapses recebam mais luz. Essa solução pode melhorar significativamente a distribuição de energia no coletor.

Em outras palavras, os erros mais comuns nesse experimento são aqueles causados ​​por defeitos acidentais durante a fabricação da amostra ou durante os próprios estudos experimentais.

Erros de intensidade podem afetar a eficiência energética do sistema sem afetar o processamento de dados. Mas isso também depende do tipo de sistema em si.

Nos sistemas neuromórficos, cada sinapse precisa de um certo número mínimo de fótons para provocar uma reação. Se houver nós na rede de distribuição de energia óptica entre o neurônio e a sinapse que inadvertidamente recebem um número anormalmente pequeno de fótons, basta aumentar o suprimento de luz gerada pelo neurônio. Isso garantirá que o sinal óptico chegue às conexões mais fracas.

As medições experimentais de um coletor com distribuição gaussiana mostraram mais uma vez que esse dispositivo pode ser implementado para diferentes arquiteturas de sistema devido ao alto grau de controle sobre o processo de distribuição de energia.

É importante observar que um sistema que usa esses coletores é escalável, adicionando mais nós de entrada e origem. A única coisa que ofusca esses resultados positivos é a perda associada à interseção de guias de ondas. Verificou-se que o número máximo de interseções em uma rota é proporcional ao quadrado do número de nós.



As perdas de um cruzamento são de 6 mdB. Se o coletor tiver 22 nós de entrada e 22 de origem, a taxa de perda total será de 3 dB. Isso pode ser evitado de maneira muito simples - aumentando o espaço interplanar. Assim, as perdas serão mínimas, embora o tamanho do chip aumente.

Para um conhecimento mais detalhado dos materiais de pesquisa, recomendo fortemente que você clique no link.

Epílogo

Alguém dirá que os cientistas envolvidos em tais pesquisas estão perdendo tempo. Eu não seria tão radical. Qualquer conhecimento obtido no curso de qualquer experiência prática ou repensar teórico é importante para o bem comum da ciência e, como conseqüência, da vida da sociedade. É como uma pequena peça de um quebra-cabeça, sem a qual a idéia geral da imagem do quebra-cabeça não muda, mas será incompleta.

Como disse Georg Lichtenberg:

As melhores coisas do mundo são causadas por outros que consideramos insignificantes. ("As melhores coisas do mundo são provocadas por outras coisas que consideramos como nada.")

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