.
Os pesquisadores desenvolveram um chip óptico fácil de usar que pode ser configurado para realizar várias funções. O cálculo de matriz de valor real positivo que eles alcançaram dá ao chip o potencial para ser usado em aplicações que requerem redes neurais ópticas. As redes neurais ópticas podem ser usadas para uma variedade de tarefas com muitos dados, como classificação de imagens, interpretação de gestos e reconhecimento de fala.
Circuitos integrados fotônicos que podem ser reconfigurados após a fabricação para executar diferentes funções foram desenvolvidos anteriormente. Porém, eles tendem a ser difíceis de configurar porque o usuário precisa entender a estrutura interna e os princípios do chip e ajustar individualmente suas unidades básicas.
“Nosso novo chip pode ser tratado como uma caixa preta, o que significa que os usuários não precisam entender sua estrutura interna para mudar sua função”, disse o líder da equipe de pesquisa, Jianji Dong, da Universidade de Ciência e Tecnologia Huazhong, na China. “Eles só precisam definir um objetivo de treinamento e, com o controle do computador, o chip se autoconfigurará para atingir a funcionalidade desejada com base na entrada e na saída”.
No diário Expresso de materiais ópticos, os pesquisadores descrevem seu novo chip, que é baseado em uma rede de componentes ópticos baseados em guias de ondas chamados interferômetros Mach-Zehnder (MZIs) dispostos em um padrão quadrilateral. Os pesquisadores mostraram que o chip pode ser autoconfigurado para realizar roteamento óptico, divisão de energia luminosa de baixa perda e cálculos matriciais usados para criar redes neurais.
“No futuro, prevemos a realização de redes de guias de onda programáveis no chip em larga escala”, disse Dong. “Com desenvolvimento adicional, pode ser possível alcançar funções ópticas comparáveis às dos arrays de portas programáveis em campo (FPGAs) – circuitos elétricos integrados que podem ser reprogramados para executar qualquer aplicação desejada após serem fabricados.”
Criando a rede MZI programável
A rede MZI quadrilateral on-chip é potencialmente útil para aplicações que envolvem redes neurais ópticas, que são criadas a partir de redes de nós interconectados. Para usar uma rede neural óptica de forma eficaz, a rede deve ser treinada com dados conhecidos para determinar os pesos entre cada par de nós – uma tarefa que envolve multiplicação de matrizes.
“As operações de matriz no chip têm sido normalmente implementadas usando redes MZI de propagação direta ou matrizes de microring”, disse Dong. “Inspirados nos FPGAs da eletrônica, queríamos usar uma estrutura de rede topológica MZI que permitisse a propagação feedforward e feedbackward para operações matriciais.”
O chip que desenvolveram pode ser reconfigurado ajustando as tensões dos eletrodos, o que cria vários caminhos de propagação de luz na rede quadrilateral. Os pesquisadores integraram um algoritmo de gradiente descendente para acelerar a taxa de convergência da função de custo, que mede a precisão da rede a cada iteração de treinamento. Após cada iteração de treinamento, o chip atualiza as tensões de todos os eletrodos ajustáveis – em vez do valor de uma única variável – o que melhora ainda mais a taxa de convergência da função de custo. Essas melhorias ajudam a tornar o processo de treinamento mais rápido.
Alcançando várias funções
Os pesquisadores mostraram que o chip pode ser usado para realizar o que é conhecido como cálculo de matriz real positiva, verificando pela primeira vez a viabilidade disso em uma rede MZI quadrilateral. O erro entre os resultados do treinamento do chip e as matrizes alvo foi mínimo.
Eles também demonstraram roteamento óptico – um caso especializado de computação de matriz real positiva – com uma alta taxa de extinção. O roteamento óptico pode rotear com eficiência sinais ópticos entre equipamentos, como processadores e unidades de memória, em data centers. Em comparação com as contrapartes elétricas, as abordagens ópticas ajudam a reduzir a latência e o consumo de energia ao processar um grande número de sinais.
Além disso, o chip foi usado para divisão de potência óptica de baixa perda, que divide uma única luz de entrada em feixes que possuem energia proporcional em sua porta de saída. A análise estatística dos resultados de 11 conjuntos de testes mostrou que a perda de energia durante a divisão permaneceu abaixo de 1,16 dB. A divisão de energia óptica de baixa perda pode ser usada para enviar sinais para diferentes componentes do chip, como processadores e fotodetectores. Isto facilita o processamento simultâneo de sinais de entrada.
Os pesquisadores agora estão trabalhando para fazer melhorias no chip que permitiriam ainda mais capacidades de operação da matriz. Eles também gostariam de explorar seu uso para outras aplicações de computação matricial além das redes neurais ópticas.
.
