[發明專利]光學神經網絡芯片及其計算方法

有效

• 申請號: 202011121099.2
• 申請日: 2020-10-19
• 公開（公告）號: CN112101540B
• 公開（公告）日: 2023-09-22
• 發明（設計）人: 王瑞廷;王鵬飛;羅光振;張冶金;周旭亮;于紅艷;王夢琦;潘教青;王圩
• 申請（專利權）人: 中國科學院半導體研究所
• 主分類號: G06N3/067
• 分類號: G06N3/067;G06N3/048;G06N3/08
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 周天宇

1.一種光學神經網絡芯片，其特征在于，包括：

光子權重模塊，用于實現多個權重的編碼，并基于所述多個權重的編碼，調節輸入信號中包括的多個不同波長的光信號的幅值，實現各波長的所述光信號表示的輸入數據分別與所述多個權重的光學乘加計算；

光子偏置模塊，包括多個偏置諧振器，各所述偏置諧振器與所述光子權重模塊中的縱向波導的延伸對應連接，各所述偏置諧振器各編碼一個偏置；

光電探測器陣列，用于探測多個所述光學乘加計算與多個所述偏置一一對應的求和計算的結果；

其中，所述輸入信號分兩次輸入所述光學神經網絡芯片，其中一次輸入用于正值計算，另一次輸入用于負值計算，所述正值計算的結果減去所述負值計算的結果所得結果表示一次計算所得結果；

所述光子權重模塊包括N個橫向波導和M個縱向波導，所述橫向波導和所述縱向波導相互交叉，在每一個交叉處放置一個諧振器，共N*M個諧振器，所述輸入信號通過各所述橫向波導輸入所述光子權重模塊中；

所述光電探測器陣列包括多個光電探測器，與所述偏置諧振器一一對應連接，分兩次探測所述正值計算和所述負值計算的結果的光信號，所述正值計算和所述負值計算的結果的光信號的信號差表示所述求和計算的結果。

2.根據權利要求1所述的光學神經網絡芯片，其特征在于，包括：

在所述光子權重模塊中，每列諧振器中的所述諧振器互不相同，對多個不同的所述權重進行編碼，并分別調制所述輸入信號中不同波長的光信號，實現所述不同波長的光信號表示的多個輸入數據與多個所述權重的一一對應的乘積計算；

當實現所述多個輸入數據與多個所述權重的一一對應的乘積計算后，對表示所述乘積計算的光信號求和；

每列諧振器中對應位置的所述諧振器交錯調制不同波長的所述光信號。

3.根據權利要求2所述的光學神經網絡芯片，其特征在于，所述光子偏置模塊還包括：

光源，用于產生偏置光信號；

分束器，用于將所述偏置光信號分為多束后輸出給光子偏置模塊中的各列偏振諧振器。

4.根據權利要求3所述的光學神經網絡芯片，其特征在于，所述光電探測器陣列包括多個光電探測器，與所述光子權重模塊中的縱向波導一一對應連接，分兩次探測所述權重模塊的縱向波導上所述正值計算和所述負值計算的結果的光信號，所述正值計算和所述負值計算的結果的光信號的信號差表示所述求和計算的結果。

5.根據權利要求1所述的光學神經網絡芯片，其特征在于，包括：

在所述光子權重模塊中，單列諧振器中的諧振器相同，分別對不同的所述權重進行編碼，并調制所述輸入信號中同一波長的所述光信號，以實現對所述光信號表示的多個輸入數據分別與多個所述權重的乘積計算；

當實現所述多個輸入數據與多個所述權重的乘積計算后，對表示所述乘積計算的光信號求和，實現多個輸入數據與多個所述權重的乘積結果的加和計算；

所述光子權重模塊中各列諧振器調制的所述光信號的波長不同。

6.根據權利要求5所述的光學神經網絡芯片，其特征在于，所述光子偏置模塊包括：多個偏置諧振器，與所述光子權重模塊中的縱向波導的延伸對應連接，所述偏置諧振器各編碼一個不同的偏置。

7.根據權利要求1所述的光學神經網絡芯片，其特征在于，所述芯片還包括光子輸入模塊，用于產生所述輸入信號，并將所述輸入信號輸入所述光子權重模塊中，所述光子輸入模塊包括：

光源陣列，用于產生多個不同波長的所述光信號；

復用器，用于將所述不同波長的所述光信號合為一束輸入信號；

分束器，用于將所述輸入信號分為多束；

調制器陣列，所述調制器陣列包括N組調制器，每一組中包括M個調制器，調制器陣列中的N*M個調制器的分布與所述光子權重模塊中的N*M個調制器分布相同，用于對所述輸入信號中包括的不同波長的光信號分別進行幅度調制，實現各波長光信號表示的輸入數據的光學編碼。

8.一種光學神經網絡芯片的計算方法，應用于如權利要求1至7任意一項所述的光學神經網絡芯片，其特征在于，包括：

S100，將輸入信號中包括的不同波長的光信號分別進行調幅編碼，分為多束輸入光子權重模塊，不同波長的所述光信號表示不同的輸入數據；

S200，所述光子權重模塊實現多個權重的編碼，并基于所述多個權重的編碼，調節輸入信號中包括的多個不同波長的光信號的幅值，實現各波長的所述光信號表示的輸入數據分別與所述多個權重的光學乘加計算；

S300，利用光子偏置模塊實現多個偏置的編碼；

S400，利用光電探測器陣列探測多個所述光學乘加計算與多個所述偏置的求和計算的結果；

S500，對所得到的結果進行非線性函數計算，所得輸出作為下一層神經網絡計算的輸入；

其中，所述輸入信號分兩次輸入所述光學神經網絡芯片，其中一次輸入用于正值計算，另一次輸入用于負值計算，所述正值計算的結果減去所述負值計算的結果所得結果表示一次計算所得結果。