ПРОЕКТУВАННЯ ФОТОННИХ ІНТЕГРАЛЬНИХ СХЕМ ДЛЯ АНАЛОГОВОГО МНОЖЕННЯ МАТРИЦІ НА ВЕКТОР

Анотація

У статті запропоновано нову конструкцію фотонної інтегральної схеми для оптичного множення матриці на вектор. Ця схема містить три шари: перший шар має заданий набір оптичних хвилеводів для вхідних оптичних сигналів, другий шар містить матрицю апертур у якій площі апертур пропорційні коефіцієнтам матриці, третій шар має заданий набір оптичних хвилеводів для вихідних оптичних сигналів. Ця конструкція гарантує аналогове множення зі швидкістю світла, а цю фотонну інтегральну схему можна виготовити без дорогого літографічного обладнання. Представлено математичний апарат для автоматичної генерації топології схеми, його застосування при розробки фотонних інтегральних схем для гаусоввської фільтрації, виконання косинусного перетворення та апаратних реалізацій нейронних мереж Хопфілда та аналіз переваг і недоліків запропонованої конструкції.

У статті представлено нову та ефективну архітектуру фотонного інтегрованого чипа (ФІЧ), що виконує множення матриці на вектор за допомогою оптичної обробки сигналів. Цей підхід використовує природну паралельність та надвисоку швидкість поширення світла, щоб реалізувати математичні операції з безпрецедентною швидкістю та енергоефективністю. Запропонована конструкція ФІЧ складається з трьох функціональних шарів: вхідного, обчислювального та вихідного.

На першому, вхідному, шарі масив оптичних хвилеводів передає вхідні оптичні сигнали, які репрезентують вектор, що множиться. Ці сигнали надходять до другого шару, де виконується основне обчислення. Ключова інновація полягає в обчислювальному шарі, що містить матрицю оптичних апертур. Кожна апертура має площу, пропорційну відповідному коефіцієнту матриці. Під час проходження світла через ці апертури його інтенсивність модулюється, тим самим реалізуючи аналогове множення. Така фізична реалізація дозволяє уникнути необхідності цифрової електроніки чи проміжного перетворення сигналів.

Третій шар містить другий набір оптичних хвилеводів, які збирають модульоване світло та передають його до виходу, де формується результат множення матриці на вектор. Завдяки цій архітектурі обчислення відбуваються в режимі реального часу на швидкості світла, значно перевершуючи традиційні електронні процесори як за швидкістю, так і за енергоспоживанням.

Однією з ключових переваг є простота виготовлення пристрою. На відміну від багатьох фотонних систем, які потребують складних і дорогих фотолітографічних процесів, запропонована архітектура може бути реалізована з використанням доступних, недорогих технологій. Це відкриває шлях до масового виробництва та широкого впровадження у сучасні й майбутні фотонні обчислювальні платформи.

У статті представлено математичну модель та програмні засоби для автоматичної генерації топології, що дає змогу швидко створювати прототипи та адаптувати схеми для різних обчислювальних задач. Застосування охоплює побудову фотонних схем для гаусових фільтрів, дискретного косинус-перетворення та нейронних мереж Хопфілда для реалізації асоціативної пам’яті та розпізнавання образів.

Крім того, подано ґрунтовний аналіз переваг запропонованої конструкції, таких як масштабованість, швидкодія та енергозбереження, а також обговорено можливі обмеження, зокрема точність модуляції та інтеграційні виклики. Архітектура демонструє високий потенціал для застосування в нейроморфних обчисленнях, обробці даних у реальному часі та створенні фотонних прискорювачів штучного інтелекту.