新型光芯片可执行深度神经网络计算

近日，美国麻省理工学院科学家开发出一种全集成光芯片。它能以光学方式执行深度神经网络所需的所有关键计算，为制造能实时学习的高速处理器打开了大门。该研究成果发表在《自然·光子学》杂志上。

这种新型光芯片能够在不到半纳秒的时间内，完成机器学习分类任务的关键计算，性能与传统硬件相当。该芯片由相互连接的模块组成，形成一个光学神经网络，并采用商业代工工艺制造，这有助于技术的扩展和与电子产品集成。

深度神经网络由多层相互连接的节点组成，执行线性和非线性操作以处理复杂数据。其中，非线性运算（如激活函数）使深度神经网络能够解决复杂问题。2017年，麻省理工学院恩格伦德小组与马林·索尔贾契奇实验室合作，在光芯片上演示了能执行矩阵乘法的光学神经网络，但这种设计无法在芯片上直接进行非线性操作。设计的难题在于，触发光学非线性非常耗电。

后来，研究团队开发了一种非线性光学功能单元（NOFU），克服了这一挑战。他们通过结合电子学和光学技术，在芯片上实现了非线性操作，从而实现在光芯片上构建光学深度神经网络。其中，神经网络参数编码作为光信号，通过可编程分光镜阵列进行矩阵乘法，再由NOFU实现非线性功能，无需外部放大器，能耗极低。

该光芯片在训练测试中准确率超96%，推理准确率超92%，且执行关键计算时间不到半纳秒。整个电路采用与制造CMOS芯片相同的基础设施和工艺，有利于大规模生产和降低制造误差。这一研究为在光芯片上高效训练深度神经网络提供了可能。

从长远来看，光芯片有望实现更快、更节能的深度学习，适用于激光雷达、天文学和粒子物理学等领域的研究或高速电信等计算要求高的应用。