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OES封面 | 基于DFB-SA芯片的多突触光子脉冲神经网络【西安电子科技大学光类脑计算团队】

发布:WWWY1722阅读:732时间:2023-11-28 20:51:08

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西安电子科技大学光类脑计算团队自主研制了含有可饱和吸收区的分布式反馈(DFB-SA)半导体激光器芯片作为光脉冲神经元,成功模拟兴奋响应、阈值、累积和不应期等类神经元响应。该工作为实现集成化光神经形态计算系统奠定了器件基础,有望在数据中心、边缘计算、自动驾驶等应用中发挥其独特的竞争力。

封面文章 | Han YN, Xiang SY, Song ZW, Gao S, Guo XX et al. Pattern recognition in multi-synaptic photonic spiking neural networks based on a DFB-SA chip. Opto-Electron Sci 2, 230021 (2023).    

第一作者:韩亚楠

通信作者:项水英

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研究背景

       与传统人工神经网络相比,脉冲神经网络(SNN)由于其时空编码特征和事件驱动工作方式,被认为更符合生物真实性、更强大且功耗更低。近年来,光计算作为硬件加速平台得到广泛关注,其中非线性计算是光计算的难点。光子SNN为实现高性能神经形态计算提供了超高速和高能效的平台。

       由于具有紧凑的尺寸和高可靠性的潜力,集成架构提供了光神经形态计算架构的可实现方案。两段式半导体激光器可以模拟类神经元响应,作为光子脉冲神经元执行非线性计算。然而,SNN的强非线性以及硬件约束所带来的训练困难,对高效SNN算法提出了迫切的需求。同时,算法与硬件平台的协同计算也成为新的挑战。

 

研究亮点

       针对光神经网络非线性计算难题,西安电子科技大学光类脑计算团队自主研制了含有可饱和吸收区的分布式反馈(DFB-SA)半导体激光器芯片作为光脉冲神经元,成功模拟兴奋响应、阈值、累积和不应期等类神经元响应。受到生物中多突触结构和突触传入时延-权重可塑性的启发,提出基于多突触连接的脉冲神经网络结构和时延-权重协同监督学习算法训练光SNN,实现基于光SNN的模式分类算法与DFB-SA芯片的软硬协同。

图1 多突触光子脉冲神经网络。(a)多突触结构示意图;(b)基于DFB-SA的光脉冲神经网络计算实验平台。

       通过与现有常用算法对比,该算法的学习效率和性能优异,引入的多突触连接在使用不同学习算法时均可以有效提升网络性能。为实现算法和硬件的协同,利用时分复用技术将不同输出神经元接收的信号编码于不同时间间隙,基于单个DFB-SA芯片实验验证模式分类。不同类别输入仅能激发对应输出神经元产生单个尖峰脉冲。而且在多次重复试验中,虽然输出脉冲功率整体波动较大,但是脉冲时间却较为稳定,表现出时间编码的鲁棒性。该研究实现了远超硬件集成规模限制的功能光子SNN,展示了硬件算法协同计算的能力。该工作是推动集成光子脉冲神经网络芯片实际应用的重要一步,为大规模光脉冲神经网络的硬件实现奠定了重要基础。

图2 基于DFB-SA的模式分类实验结果。(a1)-(j1)输入脉冲序列;(a2)-(j2)DFB-SA输出时序;(k1)20次实验的输出脉冲时刻;(k2)20次实验的输出脉冲功率。

       所报道的DFB-SA光脉冲神经元芯片,基于传统InP基激光器工艺平台,具有集成化、低功耗、高速率、易于调谐等特点,适用于大带宽、高速率、低延迟等应用场景,为实现集成化光神经形态计算系统奠定了器件基础,有望在数据中心、边缘计算、自动驾驶等应用中发挥其独特的竞争力。

       该研究是西安电子科技大学光类脑计算团队与南京大学陈向飞教授、甬江实验室施跃春研究员团队深入合作的成果。西安电子科技大学为第一完成单位,博士后韩亚楠为第一作者,项水英教授为通信作者,郝跃院士对该工作进行了悉心指导。

       该工作得到了国家重点研发计划项目(2021YFB2801900)、国家优秀青年科学基金项目(62022062)、国家自然科学基金面上项目(61974177)和中央高校基本科研业务费专项资金(QTZX23041)的支持,以“Pattern recognition in multi-synaptic photonic spiking neural networks based on a DFB-SA chip”为题作为封面文章发表在Opto-Electronic Science (光电科学)2023年第9期。

 

研究团队简介

       项水英教授研究团队来自西安电子科技大学空天地一体化综合业务网全国重点实验室,致力于研究光神经拟态计算芯片及算法,从基础理论、单元器件及关键技术、集成芯片与核心算法等方面开展了系统而深入的研究。团队负责人项水英教授以第一作者或通信作者发表录用SCI检索论文100余篇,应邀撰写光神经形态计算领域综述3篇,入选全球前2%顶尖科学家榜单,主持国家重点研发计划项目,国家自然科学基金4项(优青+2面上+1青年)等。

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