Chislennoe modelirovanie fotonnogo tenzornogo yadra dlya apparatnogo uskoreniya opticheskikh matrichno-vektornykh vychisleniy

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Построена реалистичная численная модель фотонного тензорного ядра на основе архитектуры кросс-бар с поглотительными пленками халькогенидного стекла GeSbTe в качестве весовых элементов фотонной матрицы. Продемонстрирована работоспособность модели для совершения операции матрично-векторного умножения. Показана возможность применения тензорного ядра на основе реализованной архитектуры в сверточных нейронных сетях для задач распознавания изображений. Впервые численным моделированием были получены оценки потенциальной производительности и энергоэффективности фотонного аппаратного ускорителя с учетом современной экспериментальной элементной базы.

References

  1. W. Aspray, John von Neumann and the origins of modern computing, MIT Press, Cambridge (1990).
  2. F. Amato, A. L´pez, E.M. Pena-M´endez, P. Vaˇnhara, A. Hampl, and J. Havel, J. Appl. Biomed. 11, 47 (2013).
  3. Q. Li, W. Cai, X. Wang, Y. Zhou, D.D. Feng, and M. Chen, IEEE 13, 844 (2014).
  4. А.А. Попкова, А.А. Федянин, Письма вЖЭТФ 118, 513 (2023).
  5. J. Gu, Z.Wang, J. Kuen, L.Ma, A. Shahroudy, B. Shuai, T. Liu, X.Wang, G.Wang, J. Cai, and T. Chen, Pattern Recognit. 77, 354 (2018).
  6. H. J. Yoo, IEIE SPC 4, 35 (2015).
  7. C. Zhang, P. Li, G. Sun, Y. Guan, B. Xiao, and J. Cong, Proceedings of the 2015 ACM/SIGDA international symposium on field-programmable gate arrays 161, Association for Computing Machinery, N.Y. (2015).
  8. K. Ovtcahrov, O. Ruwase, J.Y. Kim, J. Fowers, K. Strauss, and E. S. Chung, Microsoft Research Whitepaper 2, 1 (2015).
  9. А.И. Мусорин, А.С. Шорохов, А.А. Чежегов, Т. Г. Балуян, К.Р. Сафронов, А.В. Четвертухин, А.А. Грунин, А.А. Федянин, Успехи физических наук 193, 1284 (2023).
  10. M. Miscuglio and V. J. Sorger, Appl. Phys. Rev. 7, 31404 (2020).
  11. F.Br¨uckerhoff-Pl¨uckelmann, J. Feldmann, C.D.Wright, H. Bhaskaran, and W. Pernice, J. Appl. Phys. 129, 151103 (2021).
  12. J. Zheng, A. Khanolkar, P. Xu, S. Colburn, S. Deshmukh, J. Myers, J. Frantz, E. Pop, J. Hendricksin, J. Doylend, N. Boechler, and A. Majumdar, Opt. Mater. Express 8, 1551 (2018).
  13. M. Delaney, I. Zeimpekis, D. Lawson, D. Hewak, and O. Muskens, Adv. Funct. Mater. 30, 2002447 (2020).
  14. J. Feldmann, N. Youngblood, M. Karpov, H. Gehring, X. Li, M. Stappers, M. Le Gallo, X. Fu, A. Lukashchuk, A. S. Raja, J. Liu, C.D. Wright, A. Sebastian, T. J. Kippenberg, W.H.P. Pernice, and H. Bhaskaran, Nature 589, 7840 (2021).
  15. N. Youngblood IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 29, 1 (2022).
  16. B. Dong, S. Aggarwal, W. Zhou, U.E. Ali, N. Farmakidis, J. S. Lee, Y. He, X. Li, D.L. Kwong, C.D. Wright, W. Pernice, and H. Bhaskaran, Nature Photon. 17, 1080 (2023).
  17. F. Br¨uckerhoff-Pl¨uckelmann, J. Feldmann, H. Gehring, W. Zhou, C.D. Wright, H. Bhaskaran, and W. Pernice, Nanophotonics 11, 4063 (2022).
  18. P. Dong, R. Shafiiha, S. Liao, H. Liang, N.N. Feng, D. Feng, G. Li, X. Zheng, A.V. Krishnamoorthy, and M. Asghari , Opt. Express 18, 10941 (2010).
  19. Y. Zhang, H. Zhang, J. Zhang, J. Liu, L.Wang, D. Chen, N. Chi, X. Xiao, and S. Yu, Photonics Res. 10, 1127 (2022).
  20. W. Bogaerts, P. De Heyn, T. van Vaerenbergh, K. De Vos, S.K. Selvaraja, T. Claes, P. Dumon, P. Bienstmanm, D. van Thourhout, and R. Baets, Laser Photonics Rev. 6, 47 (2012).
  21. M.R. Watts, W.A. Zortman, D.C. Trotter, R.W. Young, and A. L. Lentine, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 16, 159 (2010).
  22. W. Zhang, C. Huang, H.T. Peng, S. Bilodeau, A. Jha, E. Blow, T. F. de Lima, B. J. Shastri, and P. Prucnal, Optica 9, 579 (2022).
  23. D. Wu, X. Yang, N. Wang, L. Lu, J. Chen, L. Zhou, and B. Rahman, Nanophotonics 11, 3437 (2022).
  24. A. Yariv, IEEE J. Quantum Electron. 9, 919 (1973).
  25. C. Wu, H. Yu, S. Le, R. Peng, I. Takeuchi, and M. Li, Nature Commun. 12, 96 (2021).
  26. A.N. Tait, M.A. Nahmias, B. J. Shastri, and P.R. Pruchal, J. Light. Technol. 32, 4029 (2014).
  27. S. Keyvaninia, G. Roelkens, D. van Thourhout, C. Jany, M. Lamponi, A. Le Lieprve, F. Lelarge, D. Make, G.H. Duan, D. Bordel, and J.M. Fedeli, Opt. Express 21, 3784 (2013).
  28. M.A. Al-Qadasi, L. Chrostowski, B. J. Shastri, and S. Shekhar, APL Photonics 7, 20902 (2022).
  29. S. Wu, X. Mu, L. Cheng, S. Mao, and H.Y. Fu, Micromachines 11, 326 (2020).
  30. S. Manipatruni, K. Preston, L. Chen, and M. Lipson, Opt. Express 18, 18235 (2010).
  31. Z. Yu, J. Zheng, P. Xu, W. Zhang, and Y. Wu, IEEE Photonics Technol. Lett. 30, 250 (2017).
  32. C. Demirkiran, F. Eris, G. Wang, J. Elmhurst, N. Moore, N.C. Harris, A. Basumallik, V. J. Reddi, A. Joshi, and D. Bunadar, J. Emerg. Technol. Comput. Syst. 19, 1 (2023).
  33. D. Sturm and S. Mozaeni, 2023 Design, Automation & Test in Europe Conference & Exhibition (DATE), 1, EDA Consortium, San Jose (2023).
  34. M. O’Connor, N. Chatterjee, D. Lee, J. Wilson, A. Agrawal, S.W. Keckler, and W. J. Dally, Proceedings of the 50th Annual IEEE/ACM International Symposium on Microarchitecture, 41, Association for Computing Machinery, N.Y. (2017).
  35. B.R. Koch, E. J. Norberg, J. E. Roth, B. Kim, A. Ramaswamy, R. S. Guzzon, J. Hutchinson, J.H. Shin, J. Imamura, B. Gomez, G. Fish, and A. Fang, Novel In-Plane Semiconductor Lasers XIII. – SPIE 9002, 72 (2014).
  36. S. Nayak, A.H. Ahmed, A. Sharkia, A. S. Ramani, S. Mirabbassi, and S. Shekhar, IEEE Trans. Circuits Syst. I: Regul. Pap. 66, 3162 (2019).
  37. К.Р. Сафронов, В.О. Бессонов, А.А. Федянин, Письма в ЖЭТФ 114, 360 (2021).
  38. M. Wei, X. Lin, K. Xu, Y. Wu, C. Wang, Z. Wang, K. Lei, K. Bao, J. Li, L. Li, E. Li, and H. Lin, Nanophotonics 13, 2183 (2024).

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2024 Российская академия наук

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).