Як спрощений компонент оптичної нейронної мережі економить простір та енергію

У сфері оптичних обчислень ключовою проблемою є ефективна реалізація оптичного матрично-векторного множення дійсних чисел (Matrix-Vector Multiplication, MVM). Хоча оптичні обчислення мають такі переваги, як висока пропускна здатність, низька затримка та енергоефективність, традиційні методи оптичних матричних обчислень були розроблені для матриць комплексних значень, що призводить до надлишковості ресурсів при обробці матриць дійсних значень. Ця надмірність споживає додаткову енергію, збільшує розмір мікросхеми і викликає занепокоєння щодо ефективності використання простору та масштабованості у великомасштабних оптичних нейронних мережах (Optical Neural Networks, ONN) та розв’язувачах оптимізаційних задач.

Спроби вирішити цю проблему призвели до появи таких рішень, як псевдореальні MZI сітки. Хоча вона мала на меті зменшити вимоги до фазового зсуву для матриць дійсних значень, вона вносила складнощі, пов’язані з когерентним виявленням і додатковими опорними шляхами, що потенційно призводило до помилок і складнощів у компонуванні.

У відповідь на ці виклики з’явилося нове і спрощене рішення: MZI сітка дійсних значень для некогерентних оптичних MVM. Цей інноваційний підхід зменшує кількість необхідних фазових перемикачів до N^2 при збереженні оптичної глибини N+1. Замість визначення комплексного значення вихідного оптичного поля, цей метод використовує додатковий порт для віднімання оптичної потужності, в результаті чого на виході отримуємо реальне значення. Це спрощує вимоги до апаратного забезпечення і спрощує процес виявлення, усуваючи попередні обмеження.

Щоб оцінити продуктивність і доцільність запропонованої реальної MZI-сітки, були проведені широкі чисельні розрахунки з використанням оптимізації рою частинок (Particle Swarm Optimization, PSO). Результати продемонстрували виняткову продуктивність сітки в тестових задачах, що підкреслює її потенціал як ефективного рішення для дійсної оптичної MVM в ONN. Крім того, аналіз помилок показав її стійкість до виробничих помилок, що підвищує її надійність для практичного застосування.

Дослідження також представило узгоджену нелінійну функцію активації на кристалі, що підкреслює придатність сітки для великомасштабних ONN. Завдяки своїй компактності, енергоефективності, масштабованості та стійкості до виробничих помилок, MZI сітка реальних значень пропонує багатообіцяюче рішення для вирішення проблем в оптичних матричних обчисленнях реальних значень. З розвитком оптичних обчислень цей інноваційний підхід має значні перспективи для великомасштабних ONN та оптимізаційних задач, пропонуючи більш ефективний і практичний шлях вперед.