新型芯片點亮了光學神經(jīng)網(wǎng)絡技術
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上圖所示為美國國家標準技術研究所新研制的芯片，在芯片上能夠精確分配光信號，展示了一種潛在的神經(jīng)網(wǎng)絡設計。三維結構使復雜的路由方案，這是模仿大腦功能必要的技術。光可以比電信號傳播得更遠和更快。圖片來源：美國國家標準技術研究所。 dzK{
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美國國家標準與技術研究所（NIST）的研究人員已經(jīng)制造出一種硅芯片，它可以精確地分布在一個類似腦的微型網(wǎng)格上，展示了一種潛在的神經(jīng)網(wǎng)絡設計方案。 f/WQ[\<!I
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人腦有數(shù)十億個神經(jīng)元（神經(jīng)細胞），每個神經(jīng)元與其他神經(jīng)元有數(shù)千個連接。許多計算研究項目的目的是通過創(chuàng)建人工神經(jīng)網(wǎng)絡的電路來模擬大腦。但是傳統(tǒng)的電子電路，包括半導體電路的電氣布線，常常阻礙有用的神經(jīng)網(wǎng)絡所需的極其復雜的路由。 du$| lxC
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美國國家標準技術研究所小組建議使用光而不是電作為信號媒介。神經(jīng)網(wǎng)絡已經(jīng)解決了復雜的問題，包括快速模式識別和數(shù)據(jù)分析。光的使用會消除由于電荷而產(chǎn)生的干擾，信號會更快、更遠地傳播。 %ms'n
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美國國家標準技術研究所的物理學家Jeff Chiles說：“光的優(yōu)勢可以改善神經(jīng)網(wǎng)絡對科學數(shù)據(jù)分析的性能，例如搜索地球類行星和量子信息科學，并加速自主車輛的高度直觀的控制系統(tǒng)的發(fā)展�！� oH0X<'
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傳統(tǒng)的計算機通過算法或人類編碼規(guī)則處理信息。相比之下，神經(jīng)網(wǎng)絡依賴于處理元件或神經(jīng)元之間的連接網(wǎng)絡，其可以被訓練來識別特定的刺激模式。神經(jīng)或神經(jīng)形態(tài)計算機將由一個龐大復雜的神經(jīng)網(wǎng)絡系統(tǒng)組成。 } N_NvY
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在一篇新論文中，美國國家標準技術研究所芯片克服了通過垂直堆疊兩層光子波導結構對光信號的使用的一個主要挑戰(zhàn)，該結構將光限制在窄線中以路由光信號，就像電線路由電信號一樣。這種三維（3-D）設計實現(xiàn)了復雜的路由方案，這是模仿神經(jīng)系統(tǒng)所必需的。此外，這種設計可以容易地擴展到在需要更復雜的網(wǎng)絡時并入附加波導層。 }:0uo5 B7
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堆疊波導形成10個輸入或“上游”神經(jīng)元的三維網(wǎng)格，每個神經(jīng)元連接到10個輸出或“下游”神經(jīng)元，總共有100個接收器。在硅晶片上制作，波導由氮化硅制成，每800納米寬（nm）和400納米厚。研究人員創(chuàng)建了自動生成信號路由的軟件，神經(jīng)元之間具有可調(diào)的連接性水平。 DD" $1o"
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激光通過光纖被引導到芯片中。目標是將每個輸入路由到每一個輸出組，按照所選擇的光強度或功率分布模式。功率電平表示電路中的連通性的模式和程度。作者展示了兩種控制輸出強度的方案：均勻（每個輸出接收相同的功率）和“鐘形曲線”分布（其中中間神經(jīng)元接收最大功率，而周圍神經(jīng)元接收較少）。 ^c~)/F/cF
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為了評估結果，研究人員制作了輸出信號的圖像。所有信號通過顯微鏡透鏡聚焦到半導體傳感器上并被處理成圖像幀。該方法允許多種設備同時進行高精度的分析。輸出高度均勻，誤差率低，證實了精確的功率分布。 t iN?/
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“我們在這里確實做了兩件事，”Chiles說。“我們已經(jīng)開始使用第三維來實現(xiàn)更多的光學連通性，并且我們已經(jīng)開發(fā)出一種新的測量技術來快速表征光子系統(tǒng)中的許多器件。這兩個進步是至關重要的，因為我們開始擴大到大規(guī)模的光電子神經(jīng)系統(tǒng)中�！� + OV')oE
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原文來源：https://phys.org/news/2018-07-chip-optical-neural-network-demo.html（實驗幫譯）
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