Verso l'alto

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 1260 (2023) Citare questo articolo

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Proponiamo un'unità di elaborazione fotonica per il calcolo analogico ad alta densità utilizzando modulatori di microanelli basati sulla modulazione di intensità (IM-MRM). Il segnale di uscita alla lunghezza d'onda di risonanza fissa viene modulato direttamente in intensità modificando il rapporto di estinzione (ER) dell'IM-MRM. Grazie all'approccio modulato in intensità, l'unità di elaborazione fotonica proposta è meno sensibile alla diafonia intercanale. I risultati della simulazione rivelano che il progetto proposto offre un aumento massimo di 17 volte della densità del canale di lunghezza d'onda rispetto alla sua controparte modulata in lunghezza d'onda. Pertanto, un nucleo tensore fotonico di dimensione 512 \(\times \) 512 può essere realizzato dalle attuali linee di fonderia. È stato creato un simulatore di rete neurale convoluzionale (CNN) con precisione a 6 bit per attività di riconoscimento di cifre scritte a mano utilizzando il modulatore proposto. I risultati della simulazione mostrano una precisione complessiva del 96,76%, quando la spaziatura dei canali della lunghezza d'onda subisce una penalità di potenza di 3 dB. Per convalidare sperimentalmente il sistema, vengono eseguite operazioni di prodotto a 1000 punti con un sistema con segno a 4 bit su un chip fotonico co-confezionato, dove gli I/O ottici ed elettrici sono realizzati utilizzando tecniche di bonding di cavi fotonici ed elettrici. Lo studio dei risultati della misurazione mostra un errore quadratico medio (MSE) di 3,09\(\times \)10\(^{-3}\) per i calcoli del prodotto scalare. L'IM-MRM proposto, pertanto, rende trattabile il problema della diafonia e fornisce una soluzione per lo sviluppo di sistemi di elaborazione ottica delle informazioni su larga scala con più lunghezze d'onda.

I requisiti computazionali e le spese energetiche sono aumentati rapidamente, sia per elaborare l’aumento esponenziale dei dati generati dalle reti mobili ad altissima velocità, sia per rispondere alla domanda di accelerazione dell’intelligenza artificiale 1. Tuttavia, gli attuali processori elettronici all’avanguardia, che hanno sviluppato con progressi sorprendentemente rapidi negli ultimi decenni, si stanno avvicinando al limite di crescita soggetto alla Legge di Moore. Si può prevedere che se i progressi continuano lungo il percorso attuale, questi requisiti computazionali diventeranno rapidamente proibitivi dal punto di vista tecnico ed economico. 2. Le piattaforme fotoniche sono state considerate candidati ideali per l'elaborazione analogica dei segnali di comunicazione ottica, fornendo un quadro per una nuova classe di informazioni macchine di elaborazione 3. Rispetto ai loro equivalenti elettrici, i circuiti fotonici presentano vantaggi predominanti: i segnali ottici che viaggiano alla velocità della luce possono essere manipolati mediante modulazione della trasmissione, subiscono un'attenuazione inferiore e generano meno calore in funzione della distanza 3. Molti circuiti ottici specifici per l'applicazione i processori sono stati sfruttati per affrontare compiti matematici 4,5 e di elaborazione dei segnali 6,7 con prestazioni migliorate di ordini di grandezza.

La fotonica integrata ha attirato enorme attenzione grazie alla sua capacità di generare, manipolare e rilevare segnali ottici su un singolo chip. Sfruttando i circuiti integrati fotonici (PIC) prodotti utilizzando processi compatibili con CMOS, è possibile costruire sistemi di elaborazione fotonica miniaturizzati con rendimento elevato e basso costo. In base ai requisiti della sorgente luminosa, i sistemi di elaborazione fotonica possono essere suddivisi in due categorie, architetture coerenti e architetture multilunghezza d'onda. Per l'architettura coerente, la luce di ingresso coerente viene impiegata in una serie di divisori di fascio e sfasatori per eseguire trasformazioni di matrice utilizzando l'interferenza tra percorsi diversi 3. La mesh basata su interferometro di Mach-Zehnder (MZI) è la rete di elaborazione fotonica lineare dominante con segnali di ingresso coerenti. Si tratta di un'architettura ben studiata e matura per le moltiplicazioni di matrici nei sistemi computazionali, comprese le applicazioni nelle reti neurali ottiche 8,9, simulazioni di trasporto quantistico 10, linee di ritardo ottiche riconfigurabili 11 e decomposizione di valori singolari 12. Tuttavia, le interconnessioni ottiche coerenti mostrano sensibilità a la fase ottica, che richiede calibrazione dopo ogni strato di mesh MZI 13. Inoltre, poiché le architetture coerenti richiedono un singolo riferimento di fase ottica, è possibile utilizzare solo un laser a sorgente singola. Ciò richiedeva che il laser generasse un'elevata potenza ottica sufficiente per l'intero sistema. A differenza dei sistemi coerenti, le architetture multilunghezza d'onda utilizzano segnali incoerenti generati da singole sorgenti luminose a diverse lunghezze d'onda o da un'unica sorgente che produce più lunghezze d'onda per trasportare ed elaborare le informazioni. Sfruttando il multiplexing a divisione di lunghezza d'onda (WDM), ogni segnale di ingresso è una potenza ottica analogica a una determinata lunghezza d'onda elaborata in parallelo da un banco di modulatori.