利用光的力量： 光子存储器的进步促进更快的光学计算
发布时间：2023-08-01 08:00:00 阅读数： 205
基于挥发性调制兼容光子存储器的光学卷积核：（a）4×4 OCK 的结构示意图。插图为 OCK 的分立器件。(b) 光子存储器的非易失性多级开关。(c) 光子存储器的挥发性调制动态响应。(d) OCK 的片上训练和写入操作示意图。(e) OCK 模拟原位训练后的预测精度。(f) OCK 光子存储器模拟记忆后的预测精度。资料来源：Advanced Photonics (2023)。DOI: 10.1117/1.AP.5.4.046004
自动驾驶和计算机视觉等技术进步推动了对计算能力需求的激增。光计算具有高吞吐量、高能效和低延迟的特点，受到学术界和工业界的广泛关注。然而，目前的光计算芯片在功耗和尺寸方面受到限制，这阻碍了光计算网络的可扩展性。
由于非易失性集成光子学的兴起，光计算设备可以在零静态功耗的情况下实现内存计算。相变材料（PCM）已成为实现光子存储器和非易失性神经形态光子芯片的理想候选材料。相变材料在不同状态之间具有高折射率对比和可逆转换，是大规模非易失性光计算芯片的理想材料。
虽然非易失性集成光计算芯片的前景十分诱人，但它也面临着一些挑战。在线培训所必需的频繁和快速切换是研究人员决心克服的障碍。在释放光子计算芯片全部潜能的道路上，开辟一条快速高效的培训之路是至关重要的一步。
最近，浙江大学、西湖大学和中国科学院微电子研究所的研究人员取得了突破性进展。据《先进光子学》（Advanced Photonics）杂志报道，他们开发出了一种能够快速挥发性调制的 5 位光子存储器，并提出了一种支持快速训练的非挥发性光子网络解决方案。他们将低损耗 PCM 锑矿（Sb2S3）集成到硅光子平台中，从而实现了这一目标。
光子存储器利用 PIN 二极管的载流子色散效应实现了挥发性调制，响应时间小于 40 纳秒，从而保留了存储的重量信息。训练完成后，光子存储器利用 PIN 二极管作为微加热器，实现 Sb2S3 的多级可逆相变，从而在光子计算网络中存储经过训练的权重。这就实现了令人难以置信的高能效光子计算过程。
利用已演示的光子存储器和工作原理，研究团队模拟了一个光卷积核架构。令人瞩目的是，他们在识别 MNIST 数据集时达到了 95% 以上的准确率，展示了通过易失性调制进行快速训练和通过 5 位非易失性调制进行权重存储的可行性。
这项工作为光子存储器建立了一个新范例，并为在快速训练光神经网络中实现非易失性器件提供了一个前景广阔的解决方案。有了这些进展，光计算的未来将比以往任何时候都更加光明。
参考资料
Maoliang Wei et al, Electrically programmable phase-change photonic memory for optical neural networks with nanoseconds in situ training capability, Advanced Photonics (2023). DOI: 10.1117/1.AP.5.4.046004
本文由光电查搜集整理，未经同行评议，请自行判断可信度。仅供学习使用。
