[發(fā)明專利]光學神經網絡芯片及其計算方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011121099.2
• 申請日: 2020-10-19
• 公開（公告）號: CN112101540B
• 公開（公告）日: 2023-09-22
• 發(fā)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

本公開提供了一種光學神經網絡芯片及其計算方法，包括：光子權重模塊，用于實現(xiàn)多個權重的編碼，并基于多個權重的編碼，調節(jié)輸入信號中包括的多個不同波長的光信號的幅值，實現(xiàn)各波長的光信號表示的輸入數(shù)據(jù)分別與多個權重的光學乘加計算；光子偏置模塊，用于實現(xiàn)多個偏置的編碼；光電探測器陣列，用于探測多個光學乘加計算與多個偏置一一對應的求和計算的結果。該芯片及計算方法利用光子實現(xiàn)神經網絡計算，通過波分復用對不同的數(shù)據(jù)進行表示，提高了計算并行度，通過兩次編碼實現(xiàn)光學神經網絡芯片的正負值計算，提高了光學神經網絡芯片的計算性能。

技術領域

本發(fā)明涉及人工智能技術領域，尤其涉及一種光學神經網絡芯片及其計算方法。

背景技術

近年來，神經網絡技術迅速發(fā)展，廣泛的應用于圖像處理、自然語言處理等領域。芯片技術的進步對于神經網絡技術的發(fā)展有著重要的推動作用。當前應用于神經網絡加速運算的芯片主要有圖形處理單元(GPU)、現(xiàn)場可編程邏輯門陣列(FPGA)、專用集成電路(ASIC)三大類，均基于傳統(tǒng)的電芯片技術。隨著摩爾定律發(fā)展減緩以及馮·諾依曼架構瓶頸凸顯，傳統(tǒng)電芯片技術面臨著日益嚴重的能耗等問題。與電子相比，光子具有高速度、高帶寬、低功耗的優(yōu)勢，因此通過光學芯片實現(xiàn)神經網絡計算，可以有效的提升計算速度，降低計算功耗。

在現(xiàn)有的光學神經網絡芯片方案中，多數(shù)利用光的幅度對輸入數(shù)據(jù)和權重進行編碼，光的幅度具有非負性，神經網絡中的權重一般既有正值也有負值，需要進行芯片結構和計算方法的聯(lián)合設計實現(xiàn)。并且，在神經網絡計算中，除了輸入數(shù)據(jù)和權重，偏置也有著重要的作用，在芯片的設計中，需要進行各部分的聯(lián)合設計。

發(fā)明內容

本公開的主要目的在于提供一種光學神經網絡芯片及其計算方法，以提高光學神經網絡芯片的計算性能。

為實現(xiàn)上述目的，本公開實施例第一方面提供一種光學神經網絡芯片，包括：光子權重模塊，用于實現(xiàn)多個權重的編碼，并基于所述多個權重的編碼，調節(jié)輸入信號中包括的多個不同波長的光信號的幅值，實現(xiàn)各波長的所述光信號表示的輸入數(shù)據(jù)分別與所述多個權重的光學乘加計算；所述光子偏置模塊，用于實現(xiàn)多個偏置的編碼；所述光電探測器陣列，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。

可選地，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。

可選地，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(xiàn)所述不同波長的光信號表示的多個輸入數(shù)據(jù)與多個所述權重一一對應的乘積計算；當實現(xiàn)所述多個輸入數(shù)據(jù)與多個所述權重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，實現(xiàn)不同輸入數(shù)據(jù)與不同所述權重的乘積結果的加和計算；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。

可選地，所述光子偏置模塊包括：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諧振器；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，各所述諧振器各編碼一個偏置。

可選地，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。