Chip Silikon Mengimplementasikan Jaringan Neural Berbasis Cahaya untuk Pemrosesan Sinyal yang Lebih Cepat dan Hemat Energi
- Para peneliti menciptakan chip silikon yang menyebarkan sinyal cahaya secara tepat, menunjukkan desain jaringan saraf baru.
- Lampu menghilangkan gangguan yang disebabkan oleh muatan listrik, dan dapat bergerak lebih cepat dan lebih jauh.
Mengembangkan interkoneksi yang hemat energi dan sangat kompak telah menjadi tujuan penelitian utama untuk fotonik terintegrasi. Mereka memiliki beragam aplikasi, termasuk telekomunikasi efektif dan komunikasi lintas chip bandwidth tinggi di perangkat CMOS.
Banyak ilmuwan di seluruh dunia sedang mengerjakan sirkuit jaringan saraf tiruan untuk meniru otak manusia. Namun, kabel listrik tradisional pada sirkuit semikonduktor tidak mampu menangani perutean yang sangat rumit yang diperlukan untuk jaringan neural tingkat lanjut.
Baru-baru ini, para ilmuwan di Institut Standar dan Teknologi Nasional mengembangkan chip silikon yang secara tepat menyebarkan sinyal optik ke seluruh jaringan kecil mirip otak, sehingga menunjukkan desain jaringan saraf baru.
Jaringan saraf tiruan telah menunjukkan kemampuan luar biasa dalam mempelajari dan memodelkan masalah kompleks non-linier, termasuk pemrosesan gambar, pengenalan karakter, dan perkiraan data. Kini, tim peneliti telah menggunakan sinyal cahaya (bukan sinyal listrik) untuk mengimplementasikan jaringan saraf ini.
Keuntungan Menggunakan Cahaya Dibandingkan Sinyal Listrik
Alasan utama penggunaan cahaya dibandingkan sinyal listrik adalah cahaya menghilangkan interferensi yang disebabkan oleh muatan listrik, sehingga komunikasi dapat dicapai lebih lama dengan kecepatan lebih tinggi dan daya lebih rendah.
Ini dapat meningkatkan kinerja untuk analisis data ilmiah. Hal ini mencakup penyelidikan ilmu data kuantum, pencarian exoplanet, dan pengembangan sistem kendali kendaraan otonom.
Komputer tradisional memproses data melalui aturan atau algoritma yang dikodekan, sedangkan jaringan saraf bergantung pada beberapa koneksi antar unit pemrosesan yang disebut neuron. Beberapa lapisan neuron dapat dilatih untuk melakukan beberapa tugas tertentu. Biasanya, mesin neuromorfik berisi struktur jaringan saraf yang besar dan rumit.
Bagaimana Mereka Membuat Chip Optik?
Chip silikon baru menggunakan sinyal cahaya dengan menumpuk (secara vertikal) 2 lapisan pandu gelombang fotonik. Ini membatasi cahaya ke jalur yang lebih sempit untuk mengarahkan sinyal cahaya. Lebih khusus lagi, susunan pandu gelombang memungkinkan integrasi yang erat dengan persilangan low-cross talk dan low-loss waveguide.
Referensi:Fotonik APL | doi:10.1063/1.5039641 | NIS
Desain 3D memungkinkan skema perutean yang kompleks, dan dapat diintegrasikan dengan lapisan tambahan untuk melakukan tugas yang lebih rumit.
Dalam karya ini, mereka menyajikan pandu gelombang bertumpuk yang membuat kisi 3D dengan 10 masukan yang masing-masing terhubung ke 10 keluaran. Pada dasarnya, ini adalah perutean antara 2 lapisan jaringan neural feed-forward dengan total 100 penerima.
Manifold perutean fotonik | Kredit: Chiles / NIST
Mereka menggunakan silikon nitrida untuk membuat pandu gelombang ini (masing-masing memiliki tebal 400 nanometer dan lebar 800 nanometer) dan membuatnya pada wafer silikon. Mereka juga mengembangkan program khusus untuk menghasilkan perutean sinyal secara otomatis, dengan tingkat konektivitas yang sesuai (dapat dikonfigurasi) antar neuron.
Kemudian, mereka menggunakan serat optik untuk mengarahkan sinar laser ke dalam chip silikon. Tujuannya adalah untuk mengarahkan setiap masukan ke semua keluaran, mengikuti pola distribusi daya atau intensitas cahaya. Tingkat daya yang berbeda menunjukkan tingkat konektivitas dan pola yang berbeda dalam sirkuit.
Para peneliti menunjukkan 2 skema untuk mengontrol intensitas keluaran –
- Seragam:semua output menerima daya yang sama.
- Distribusi Kurva Lonceng:sebagian besar daya ditransfer ke neuron tengah.
Baca:Bentuk Cahaya Baru yang Memungkinkan Komputasi Kuantum Dengan Foton
Untuk menganalisis hasilnya secara tepat, mereka membuat gambar sinyal yang keluar dari lapisan terakhir. Outputnya memiliki tingkat kesalahan yang rendah dan distribusi daya yang tepat. Pada panjang gelombang 1320 nanometer, distribusi seragam dan kurva lonceng ditemukan memiliki kesalahan daya keluaran rata-rata sebesar 0,7 dan 0,9 dB.
