美國制造新型硅芯片 演示光學神經網絡

  ICCSZ訊 美國國家標準與技術研究所(NIST)的研究人員制造了一種新的硅芯片，可以精確地通過微型類腦網格分發(fā)光學信號，展示了神經網絡潛在的創(chuàng)新設計方案。

  人腦擁有數十億個神經元(神經細胞)，每個神經元與其他神經元有成千上萬個連接。許多計算研究類項目旨在通過創(chuàng)建人工神經網絡電路來模擬大腦。但是傳統(tǒng)的電子器件，包括半導體電路的電氣布線，往往會阻礙有用的神經網絡所需的極其復雜的布線。

  技術突破

  NIST團隊提出了使用光而不是電作為信號媒介。神經網絡已經在解決復雜問題方面表現出了非凡的力量，包括快速模式識別和數據分析。光的使用將消除由于電荷引起的干擾，并且光信號將能更快和更遠地傳播。

  NIST物理學家Jeff Chiles表示：“光的優(yōu)勢可以提高神經網絡在科學數據分析方面的性能，例如搜索類似地球的行星和量子信息科學，并加速無人駕駛汽車高度直觀的控制系統(tǒng)的開發(fā)?！?

  傳統(tǒng)計算機是通過算法或人工編碼規(guī)則處理信息。相比之下，神經網絡依賴于處理單元或神經元之間的連接網絡，其可以被訓練以識別某些刺激模式。神經或神經形態(tài)計算機將由大型復雜的神經網絡系統(tǒng)組成。

  在已發(fā)表的研究成果中介紹到，NIST芯片通過垂直堆疊兩層光子波導結構克服了使用光信號的主要挑戰(zhàn)，光子波導結構將光限制在狹窄的線路中，以實現光信號的布線，就像采用電線傳輸電信號一樣。這種三維(3D)設計實現了復雜的布線方案，這是模擬神經系統(tǒng)所必需的。此外，當需要更復雜的網絡時，這種設計可以很容易擴展到包含更多的波導層。

  堆疊的波導結構形成一個三維網格，該網格具有10個輸入神經元，每個神經元連接到10個輸出神經元，共計100個接收器。這些波導結構是在硅晶圓上制造的，由氮化硅制成，每個波導結構長度為800納米(nm)，厚度為400nm。研究人員開發(fā)了一種可自動生成信號布線的軟件，并在神經元之間能進行可調節(jié)的連接。

  激光通過光纖傳輸到芯片。目標是按照選定的光線強度或功率分布模式將每個輸入路由到每個輸出組。功率等級代表了電路中連接模式和程度。研究成果的作者展示了兩種控制輸出強度的方案：一致的(每個輸出接收相同的功率)和“鐘形曲線”分布(中間的神經元接收最大的功率，而外圍神經元接收功率較少)。

  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，并處理成圖像幀。該方法使許多器件可以同時在高分辨率條件下分析。輸出高度地一致，錯誤率低，確保了精確的功率分布。

  圖為NIST的片上網格精確分發(fā)光信號，展示了神經網絡的潛在新型設計方案。三維結構實現了復雜的布線方案，這是模仿大腦所必需的。光信號可以比電信號傳播得更遠更快。

  重要意義

  Jeff Chiles指出：“在這項研究中，我們真正做了兩件事，我們已經開始使用三維結構來實現更多的光學連接，同時我們開發(fā)了一種新的測量技術，可以快速表征光子系統(tǒng)中的許多器件。隨著我們的研究開始擴展到大規(guī)模的光電神經系統(tǒng)，這兩項進展都至關重要?！?

  成果發(fā)表

  Jeff Chiles, Sonia M. Buckley, Sae Woo Nam, Richard P. Mirin, Jeffrey M. Shainline. Design, fabrication, and metrology of 10 × 100 multi-planar integrated photonic routing manifolds for neural networks. APL Photonics, 2018; 3 (10): 106101 DOI: 10.1063/1.5039641