美國(guó)研制出全球首枚光子神經(jīng)形態(tài)芯片

據(jù)《麻省理工技術(shù)評(píng)論》雜志網(wǎng)站近日?qǐng)?bào)道，美國(guó)普林斯頓大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)日前研制出全球首枚光子神經(jīng)形態(tài)芯片，并證明其能以超快速度計(jì)算。該芯片有望開(kāi)啟一個(gè)全新的光子計(jì)算產(chǎn)業(yè)。

普林斯頓大學(xué)亞力山大·泰特團(tuán)隊(duì)的新成果是利用光子解決了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電路速度受限這一難題。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電路已在計(jì)算領(lǐng)域掀起風(fēng)暴?？茖W(xué)家希望制造出更強(qiáng)大的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電路，其關(guān)鍵在于制造出能像神經(jīng)元那樣工作的電路，或稱神經(jīng)形態(tài)芯片，但此類電路的主要問(wèn)題是要提高速度。光子計(jì)算是計(jì)算科學(xué)領(lǐng)域的“明日之星”。與電子相比，光子擁有更多帶寬，能快速處理更多數(shù)據(jù)。但光子數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)制造成本較高，因此一直未被廣泛采用。

團(tuán)隊(duì)研制出的光子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的核心是一種光學(xué)設(shè)備——其中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)擁有神經(jīng)元一樣的響應(yīng)特征。這些節(jié)點(diǎn)采用微型圓形波導(dǎo)的形式，被蝕刻進(jìn)一個(gè)光可在其中循環(huán)的硅基座內(nèi)。當(dāng)光被輸入，接著會(huì)調(diào)節(jié)在閾值處工作的激光器的輸出，在此區(qū)域中，入射光的微小變化都會(huì)對(duì)該激光的輸出產(chǎn)生巨大影響。

該光學(xué)設(shè)備的原理在于：系統(tǒng)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都使用一定波長(zhǎng)的光，這一技術(shù)被稱為波分復(fù)用。來(lái)自各個(gè)節(jié)點(diǎn)的光會(huì)被送入該激光器，而且激光輸出會(huì)被反饋回節(jié)點(diǎn)，創(chuàng)造出一個(gè)擁有非線性特征的反饋電路。關(guān)于這種非線性能模擬神經(jīng)行為的程度，研究表明其輸出在數(shù)學(xué)上等效于一種被稱為“連續(xù)時(shí)間遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CTRNN)”的設(shè)備，這說(shuō)明CTRNN的編程工具可以應(yīng)用于更大的硅光子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

泰特團(tuán)隊(duì)用一個(gè)擁有49個(gè)節(jié)點(diǎn)的硅光子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)模擬某種微分方程的數(shù)學(xué)問(wèn)題，并將其與普通的中央處理單元進(jìn)行比較。結(jié)果表明，在此項(xiàng)任務(wù)中，光子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的速度提升了3個(gè)數(shù)量級(jí)。

研究人員表示，這將開(kāi)啟一個(gè)全新的光子計(jì)算產(chǎn)業(yè)。泰特說(shuō)：“硅光子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可能會(huì)成為更龐大的、可擴(kuò)展信息處理的硅光子系統(tǒng)家族的‘排頭兵’”。