[發(fā)明專利]一種可重構(gòu)非易失性的集成三維光學(xué)衍射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202210410378.3
• 申請(qǐng)日: 2022-04-19
• 公開（公告）號(hào): CN115018041A
• 公開（公告）日: 2022-09-06
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 董建績(jī);周海龍;吳波
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 華中科技大學(xué)
• 主分類號(hào): G06N3/04
• 分類號(hào): G06N3/04;G06N3/08;G06T1/20
• 代理公司: 華中科技大學(xué)專利中心 42201
• 代理人: 尹麗媛

本發(fā)明公開了一種可重構(gòu)非易失性的集成三維光學(xué)衍射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片，屬于光計(jì)算技術(shù)領(lǐng)域，包括：光學(xué)衍射結(jié)構(gòu)和反饋控制結(jié)構(gòu)，其中，光學(xué)衍射結(jié)構(gòu)中的每個(gè)所述平面衍射單元包括電控相變陣列，電控相變陣列依次設(shè)有第一透明電極、非易失型相變材料和第二透明電極；控制第一透明電極和第二透明電極之間的加載電壓以對(duì)非易失型相變材料的光學(xué)狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，從而使各個(gè)平面衍射單元對(duì)輸入光進(jìn)行可重構(gòu)調(diào)制得到調(diào)制光。反饋控制結(jié)構(gòu)根據(jù)調(diào)制光的光強(qiáng)空間分布信息調(diào)整加載電壓，進(jìn)而對(duì)非易失型相變材料的光學(xué)狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，以使光學(xué)衍射結(jié)構(gòu)能夠?qū)Ξ?dāng)前輸入信號(hào)進(jìn)行識(shí)別。本發(fā)明能夠解決現(xiàn)有的集成光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)矩陣規(guī)模過小，靜態(tài)功耗高的問題。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光計(jì)算技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種可重構(gòu)非易失性的集成三維光學(xué)衍射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片。

背景技術(shù)

隨著GPU計(jì)算速度和計(jì)算能力的迅猛提升，人工智能現(xiàn)在已經(jīng)成為新一輪科技革命的中堅(jiān)力量。然而，電學(xué)晶體管的尺寸和性能已經(jīng)趨于極限，將在未來無法滿足現(xiàn)實(shí)中日益增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)量和能耗限制。光由于其寬帶寬、高頻和低能耗等優(yōu)點(diǎn)在通信和計(jì)算領(lǐng)域得到了廣泛關(guān)注。特別是光的多維度資源以及并行傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在以并行矩陣乘法為核心的光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，而集成光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是有望取代GPU的候選方法。

目前集成光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的主要組成部分：集成光學(xué)矩陣計(jì)算主要包含基于馬赫-增德爾干涉儀(Mach-Zehnder Interferometers，MZI)網(wǎng)絡(luò)和微環(huán)諧振器(Microringresonators，MRR)陣列兩類。然而目前這兩種架構(gòu)的主要問題是難以擴(kuò)充矩陣規(guī)模，常常被限制在100×100以下，顯然在面對(duì)大規(guī)模矩陣計(jì)算的時(shí)候無能為力?？臻g光學(xué)衍射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)利用空間光的每個(gè)像素充當(dāng)光學(xué)神經(jīng)元，雖然空間光調(diào)制器的像素?cái)?shù)可以輕松地做到1000×1000，但是其集成化還面臨著諸多挑戰(zhàn)，如采用在硅平板上刻蝕多排狹縫陣列來實(shí)現(xiàn)二維多平面衍射的方案只能加載和處理一維信息，大大削減了衍射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模優(yōu)勢(shì)，并且重構(gòu)每個(gè)狹縫的有效相移還很困難，因此開發(fā)一種大規(guī)模三維可重構(gòu)集成光學(xué)衍射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有重要的實(shí)用價(jià)值。除此之外，非易失性相變材料具有零靜態(tài)功耗的優(yōu)勢(shì)，也即衍射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)一旦訓(xùn)練完成在做預(yù)測(cè)時(shí)片上不需要任何除激光器之外的功耗。將非易失相變材料與大規(guī)模片上衍射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合將具有更大的應(yīng)用價(jià)值。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種可重構(gòu)非易失性的集成三維光學(xué)衍射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片，其目的在于通過在片內(nèi)的多平面衍射加上可重構(gòu)非易失的相變材料陣列來實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信息的矩陣乘法計(jì)算，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)衍射光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，由此解決現(xiàn)有的集成光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)矩陣規(guī)模過小，靜態(tài)功耗高的技術(shù)問題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種可重構(gòu)非易失性的集成三維光學(xué)衍射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片，包括：

光學(xué)衍射結(jié)構(gòu)，包括：

輸入加載單元，用于加載初始輸入信號(hào)的幅度和相位并將其轉(zhuǎn)移到輸入光的空間分布上；

多個(gè)平面衍射單元，設(shè)置在所述輸入光的入射光路上，每個(gè)所述平面衍射單元包括電控相變陣列，所述電控相變陣列依次設(shè)有第一透明電極、非易失型相變材料和第二透明電極；控制所述第一透明電極和所述第二透明電極之間的加載電壓以對(duì)所述非易失型相變材料的光學(xué)狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，從而使各個(gè)所述平面衍射單元對(duì)所述輸入光進(jìn)行可重構(gòu)調(diào)制得到調(diào)制光；

探測(cè)器陣列單元，設(shè)置在所述調(diào)制光的出射光路上，用于探測(cè)所述調(diào)制光的光強(qiáng)空間分布信息；

反饋控制結(jié)構(gòu)，與所述探測(cè)器陣列單元和所述多個(gè)平面衍射單元連接，用于根據(jù)所述調(diào)制光的光強(qiáng)空間分布信息生成反饋控制信號(hào)，并利用所述反饋控制信號(hào)調(diào)整所述加載電壓，進(jìn)而對(duì)所述多個(gè)平面衍射單元中非易失型相變材料的光學(xué)狀態(tài)進(jìn)行控制和調(diào)整，以對(duì)所述光學(xué)衍射結(jié)構(gòu)進(jìn)行訓(xùn)練得到目標(biāo)衍射結(jié)構(gòu)，所述目標(biāo)衍射結(jié)構(gòu)能夠識(shí)別當(dāng)前輸入信號(hào)的光強(qiáng)空間分布信息。