Em direção a um alto

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 1260 (2023) Citar este artigo

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Propomos uma unidade de processamento fotônico para computação analógica de alta densidade usando moduladores de microanel baseados em modulação de intensidade (IM-MRMs). O sinal de saída no comprimento de onda de ressonância fixo é diretamente modulado em intensidade alterando a taxa de extinção (ER) do IM-MRM. Graças à abordagem de intensidade modulada, a unidade de processamento fotônico proposta é menos sensível à diafonia entre canais. Os resultados da simulação revelam que o projeto proposto oferece um aumento máximo de 17 vezes na densidade do canal de comprimento de onda em comparação com sua contraparte modulada por comprimento de onda. Portanto, um núcleo tensor fotônico de tamanho 512 \(\times \) 512 pode ser realizado por linhas de fundição atuais. Um simulador de rede neural convolucional (CNN) com precisão de 6 bits é construído para tarefa de reconhecimento de dígitos manuscritos usando o modulador proposto. Os resultados da simulação mostram uma precisão geral de 96,76%, quando o espaçamento do canal do comprimento de onda sofre uma penalidade de potência de 3 dB. Para validar experimentalmente o sistema, 1.000 operações de produto escalar são realizadas com um sistema assinado de 4 bits em um chip fotônico empacotado, onde E/S ópticas e elétricas são realizadas usando técnicas de ligação de fios fotônicos e elétricos. O estudo dos resultados da medição mostra um erro quadrático médio (MSE) de 3,09\(\times \)10\(^{-3}\) para cálculos de produto escalar. O IM-MRM proposto, portanto, torna o problema de crosstalk tratável e fornece uma solução para o desenvolvimento de sistemas de processamento de informações ópticas em larga escala com múltiplos comprimentos de onda.

Os requisitos computacionais e os gastos com energia aumentaram rapidamente, quer para processar o aumento exponencial dos dados gerados pelas redes móveis de ultra-alta velocidade, quer para responder à procura de aceleração da inteligência artificial 1. No entanto, os actuais processadores electrónicos de última geração, que se desenvolveram com um progresso surpreendentemente rápido nas últimas décadas, estão a aproximar-se do seu limite de crescimento sujeito à Lei de Moore. Pode-se prever que, se o progresso continuar ao longo do caminho actual, estes requisitos computacionais tornar-se-ão rapidamente proibitivos do ponto de vista técnico e económico 2. As plataformas fotónicas têm sido consideradas como candidatas ideais para o processamento analógico de sinais de comunicação óptica, fornecendo uma estrutura para uma nova classe de informação. máquinas de processamento 3. Em comparação com os equivalentes elétricos, os circuitos fotônicos têm suas vantagens predominantes: os sinais ópticos que viajam na velocidade da luz podem ser manipulados por modulação de transmissão, experimentam menor atenuação e geram menos calor em função da distância 3. Muitos sistemas ópticos específicos de aplicação processadores foram explorados para abordar tarefas matemáticas 4,5 e de processamento de sinais 6,7 com desempenho aprimorado em ordens de magnitude.

A fotônica integrada atraiu muita atenção devido à sua capacidade de gerar, manipular e detectar sinais ópticos em um único chip. Aproveitando circuitos integrados fotônicos (PICs) fabricados usando processos compatíveis com CMOS, é possível construir sistemas de processamento fotônico miniaturizados com alto rendimento e baixo custo. De acordo com os requisitos da fonte de luz, os sistemas de processamento fotônico podem ser divididos em duas categorias, arquiteturas coerentes e arquiteturas de múltiplos comprimentos de onda. Para a arquitetura coerente, a luz de entrada coerente é empregada em uma matriz de divisores de feixe e deslocadores de fase para realizar transformações de matriz usando interferência entre diferentes caminhos 3. A malha baseada em interferômetro Mach-Zehnder (MZI) é a rede de processamento fotônico linear dominante com sinais de entrada coerentes. É uma arquitetura bem estudada e madura para multiplicações de matrizes em sistemas computacionais, incluindo aplicações em redes neurais ópticas 8,9, simulações de transporte quântico 10, linhas de atraso óptico reconfiguráveis ​​11 e decomposição de valores singulares 12. No entanto, interconexões ópticas coerentes exibem sensibilidade a a fase óptica, que requer calibração após cada camada de malha MZI 13. Além disso, como arquiteturas coerentes requerem uma única referência de fase óptica, apenas um único laser de fonte pode ser empregado. Isso exigia que o laser gerasse alta potência óptica suficiente para todo o sistema. Em contraste com os sistemas coerentes, as arquiteturas de múltiplos comprimentos de onda usam sinais incoerentes gerados por fontes de luz individuais em diferentes comprimentos de onda ou por uma única fonte que produz múltiplos comprimentos de onda para transportar e processar a informação. Aproveitando a multiplexação por divisão de comprimento de onda (WDM), cada sinal de entrada é uma potência óptica analógica em um determinado comprimento de onda processado em paralelo por um banco de moduladores.