中科院宣布集成光電子學(xué)重大科研成果

近日，中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所集成光電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室微波光電子課題組李明研究員－祝寧華院士團(tuán)隊(duì)研制出一款超高集成度光學(xué)卷積處理器。相關(guān)研究成果以Compact optical convolution processing unit based on multimode interference為題，發(fā)表在《自然－通訊》（Nature Communications，DOI：10．1038／s41467－023－38786－x）上。

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種受生物視覺神經(jīng)系統(tǒng)啟發(fā)而發(fā)展起來(lái)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。它由多層卷積層、池化層和全連接層組成。作為卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的核心組成部分，卷積層通過(guò)對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行局部感知和權(quán)值共享，提取出不同層次和抽象程度的特征。在一個(gè)完整的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，卷積運(yùn)算的運(yùn)算量通常占整個(gè)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)算量的80％以上。

雖然卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在圖像識(shí)別等領(lǐng)域取得了成功，但也面臨挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)主要基于馮·諾依曼架構(gòu)的電學(xué)硬件實(shí)現(xiàn)，存儲(chǔ)單元和處理單元是分立的，導(dǎo)致數(shù)據(jù)交換速度和能耗之間的固有矛盾。隨著數(shù)據(jù)量和網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度的增加，電子計(jì)算方案越來(lái)越難以滿足海量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理對(duì)高速、低能耗的計(jì)算硬件的需求。

光計(jì)算是一種利用光波作為載體進(jìn)行信息處理的技術(shù)，具有大帶寬、低延時(shí)、低功耗等優(yōu)點(diǎn)，提供了一種“傳輸即計(jì)算，結(jié)構(gòu)即功能”的計(jì)算架構(gòu)，有望避免馮·諾依曼計(jì)算范式中存在的數(shù)據(jù)潮汐傳輸問題。光計(jì)算近年來(lái)備受關(guān)注，但在大部分已報(bào)道的光計(jì)算方案中，光學(xué)元件的數(shù)量隨著計(jì)算矩陣的規(guī)模呈二次增長(zhǎng)趨勢(shì)，這使得光計(jì)算芯片規(guī)模擴(kuò)展面臨挑戰(zhàn)。

李明－祝寧華團(tuán)隊(duì)提出的光學(xué)卷積處理單元通過(guò)兩個(gè)4×4多模干涉耦合器和四個(gè)移相器構(gòu)造了三個(gè)2×2相關(guān)的實(shí)值卷積核。該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地將波分復(fù)用技術(shù)結(jié)合光的多模干涉，以波長(zhǎng)表征Kernel元素，輸入到輸出的映射實(shí)現(xiàn)了卷積中的乘法運(yùn)算過(guò)程，波分復(fù)用和光電轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)了卷積中的加法運(yùn)算，通過(guò)調(diào)節(jié)四個(gè)熱調(diào)移相器實(shí)現(xiàn)了相關(guān)卷積核重構(gòu)。

該團(tuán)隊(duì)提出的光學(xué)卷積處理單元實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了手寫數(shù)字圖像特征提取和分類能力。結(jié)果表明，圖像特征提取精度達(dá)到5 bit；對(duì)來(lái)自MNIST手寫數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)的手寫數(shù)字進(jìn)行十分類，準(zhǔn)確率達(dá)92．17％。

與其他光計(jì)算方案相比，該方案具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1）高算力密度：將光波分復(fù)用技術(shù)與光多模干涉技術(shù)相結(jié)合，采用4個(gè)調(diào)控單元實(shí)現(xiàn)3個(gè)2×2實(shí)值Kernel并行運(yùn)算，算力密度達(dá)到12．74－T MACs／s／mm2。

2）線性擴(kuò)展性：調(diào)控單元數(shù)量隨著矩陣規(guī)模線性增長(zhǎng)，具有很強(qiáng)的大規(guī)模集成的潛力。

研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金和中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)的支持。

來(lái)源：中科院半導(dǎo)體研究所