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清华电子系陈宏伟团队合作发文综述光学神经网络的进展与挑战

来源:laoyaoba

时间:2024-11-28 12:25:50 412浏览 收藏

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光学神经网络(Optical Neural Networks,ONNs)是一种利用光学元器件(如波导、调制器、探测器等)实现人工神经网络功能的计算系统。它通过利用光信号的传播特性来实现信息处理和计算功能,具有低延迟、低能耗、大带宽以及抗电磁干扰强等优势。
近日,清华大学电子系陈宏伟教授团队联合国防科技大学团队,以“光学神经网络:进展与挑战”(Optical neural networks: progress and challenges)为题在《光:科学和应用》(Light:Science & Applications)上发表综述,对近几年来光学神经网络的相关研究工作进行了梳理。

清华电子系陈宏伟团队合作发文综述光学神经网络的进展与挑战

  1. 图1. 光学神经网络相关研究工作时间轴线

文章宏观阐述了光学神经网络(ONN)的发展历史,直观展示了 ONN 的发展历程。

  1. ONN 的分类

文章提出了 ONN 的两种分类形式:非集成 ONN 和集成 ONN。

  1. 基于光学元器件的 ONN 细分

基于自由空间和片上集成中的不同光学元器件,文章将 ONN 细分为七种类型。

  1. 基于不同光学元器件构建的 ONN 设计原理

文章对基于不同光学元器件构建的 ONN 的设计原理进行了介绍。

清华电子系陈宏伟团队合作发文综述光学神经网络的进展与挑战

1. 光学神经网络 (ONN) 的光学元器件

非集成 ONN:

  • 透镜组 4f 系统
  • 空间光调制器 (SLM)
  • 数字微镜系统 (DMD)
  • 衍射超表面
  • 偏振器
  • 光放大器
  • 滤波器

集成 ONN:

  • 片上马赫-曾德尔干涉仪 (MZI)
  • 微环谐振器 (MRR)
  • 调制器 (PM/AM)
  • 衰减器
  • 亚波长衍射器件

2. ONN 的性能指标

  • 集成度
  • 可重构性
  • 非线性
  • 可拓展性
  • 稳定性
  • 通用性

3. 光电混合 ONN 系统

将光学和电子计算相结合,利用 ONN 的算力优势,同时使用电子辅助电路进行参数重构、非线性运算、数据存储和流控。

4. 光电混合 ONN 系统的挑战

  • 光/电、电/光转换效率(能耗和速率)优化

清华电子系陈宏伟团队合作发文综述光学神经网络的进展与挑战

1. 图 3. 光电混合 ONN 系统架构

2. 现阶段,ONN 的发展仍处于早期阶段,面临着关键技术难题。因此,其在广泛领域的实际应用仍需时日。

3. 尽管如此,ONN 已在特定专用领域得到应用。

4. 普林斯顿大学研究团队将片上集成 ONN 应用于海底光纤链路的非线性补偿。

5. 剑桥大学研究团队基于光子深度学习开发了边缘计算架构。

6. Lightmatter 公司发布了 Envise 和 Passge 产品。

7. Lightelligence 公司发布了光子计算引擎 (PACE)。

8. 未来,通过不断优化全光 ONN 系统或混合 ONN 系统架构,有望推动全光 ONN 或光电混合 ONN 系统在更广泛的实际场景中应用和发展。

来源:清华大学

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