光电计算系统技术方案

一种系统，包括用于以产生调制器控制信号第一单元；以及处理器，其包括：用于提供光输出的光源；以及用于基于数字输入值，通过调制来自光源的光来产生光输入向量的第一组光调制器。处理器包括矩阵乘法单元，其具有第二组光调制器。矩阵乘法单元基于与第二组调制器控制信号相对应的数字权重值，将光输入向量变换为模拟输出向量。至少一个光调制器被配置以基于第一调制器控制信号来调制光信号，并且第一单元被配置以整形第一调制器控制信号，以包括与幅度变化相关的带宽增强，该幅度变化与对应于第一调制器控制信号的连续数字值中的对应变化相关联。化相关联。化相关联。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】光电计算系统
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2019年1月14日提交的美国临时申请62/792,144、于2019年3月19日提交的美国临时申请62/820,562、以及于2019年6月4日提交的美国申请16/431,167的优先权。以上申请的全部公开内容通过引用合并于此。


[0003]本公开涉及一种光电计算系统。

技术介绍

[0004]神经形态计算(neuromorphic computing)是电子领域中近似大脑的操作的方法。神经形态计算的一个突出方法是人工神经网络(artificial neural network；ANN)，它是人工神经元的集合，人工神经元以特定的方式相互连接，以类似于大脑功能的方式处理信息。ANN已经在多种应用中找到了用途，这些应用包括人工智能、语音识别、文本识别、自然语言处理以及各种形式的模式识别。
[0005]ANN具有输入层、一个或多个隐藏层以及输出层。每个层具有节点或人工神经元，并且节点在层之间互连。隐藏层的每个节点执行从先前层的节点所接收的信号的加权总和(weighted sum)，并且执行加权总和的非线性变换(“激活”)以产生输出。可以通过执行矩阵乘法步骤来计算加权总和。因此，计算ANN通常涉及多个矩阵乘法步骤，其通常使用电子集成电路来执行。
[0006]在电子信号(例如电压或电流)上以模拟或数字形式编码的电子数据上所执行的计算通常使用电子计算硬件来实现，例如在集成电路(例如：处理器、专用集成电路(application<br/>‑
specific integrated circuit；ASIC)或片上系统(system on a chip；SoC))、电子电路板或其他电子电路中实现的模拟或数字电子装置。光信号已被用于在长距离和较短距离(例如：在数据中心内)上传输数据。在这种光信号上执行的操作通常在光数据传输的环境中进行，例如用于在网络中切换或过滤光信号的装置内。在计算平台中使用光信号已被更多限制。用于全光(all
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optical)计算的各种部件和系统已被提出。这种系统可包括分别地在输入和输出处从电信号和到电信号的转换，但是对于在计算中执行的重要操作不可使用两种类型(电和光)的信号。

技术实现思路

[0007]在通常情况下，在第一方面，一种系统包括：第一单元，被配置以产生多个调制器控制信号；以及处理单元。处理单元包括：光源或端口，被配置以提供多个光输出；以及第一组光调制器，耦合至光源或端口和第一单元。第一组光调制器中的光调制器被配置以基于与多个调制器控制信号中的第一组调制器控制信号相对应的数字输入值，调制由光源或端口所提供的多个光输出，来产生光输入向量，光输入向量包括多个光信号。处理单元还包括矩阵乘法单元，矩阵乘法单元包括第二组光调制器。矩阵乘法单元耦合至第一单元，并且被
配置以基于与施加到第二组光调制器的多个调制器控制信号中的第二组调制器控制信号相对应的多个数字权重值，将光输入向量转换为模拟输出向量。第一组光调制器或第二组光调制器中的至少之一的至少一个光调制器被配置以基于多个调制器控制信号中的第一调制器控制信号来调制光信号，并且第一单元被配置以整形第一调制器控制信号，以包括与幅度变化相关的带宽增强，幅度变化与对应于第一调制器控制信号的连续数字值的对应变化相关。
[0008]系统的实施例可包括以下特征的一或多个。系统可包括第二单元，耦合至矩阵乘法单元，并且第二单元被配置以将模拟输出向量转换成数字输出向量；以及控制器。控制器可包括集成电路，被配置以执行操作，包括：接收人工神经网络计算请求，人工神经网络计算请求包括输入数据集，输入数据集包括第一数字输入向量；接收第一多个神经网络权重；以及通过第一单元，基于第一数字输入向量产生第一多个调制器控制信号，并且基于第一多个神经网络权重产生第一多个权重控制信号。
[0009]第一单元可包括数字模拟转换器(digital to analog converter；DAC)。
[0010]系统可包括存储单元，被配置以储存数据集和多个神经网络权重。
[0011]控制器的集成电路还可被配置以执行包括在存储单元中储存输入数据集和第一多个神经网络权重的操作。
[0012]控制器可包括专用集成电路(application specific integrated circuit；ASIC)，并且接收人工神经网络计算请求可包括从通用数据处理器接收人工神经网络计算请求。
[0013]第一单元、处理单元、第二单元以及控制器可被布置在多芯片模块或集成电路中的至少一个上。接收人工神经网络计算请求可包括从第二数据处理器接收人工神经网络计算请求，其中第二数据处理器在多芯片模块或集成电路的外部，第二数据处理器通过通信通道(communication channel)耦合至多芯片模块或集成电路，并且处理单元可以以比通信通道的数据速率大至少一数量级的数据速率来处理数据。
[0014]第一单元、处理单元、第二单元以及控制器可被用于在多个迭代中重复的光电处理循环。光电处理循环包括：(1)基于调制器控制信号的至少一个的至少第一光调制操作，以及基于权重控制信号的至少一个的至少第二光调制操作，以及(2)(a)电求和操作或(b)电储存操作中的至少一个。
[0015]光电处理循环可包括电储存操作，并且电储存操作使用耦合至控制器的存储单元来执行。通过控制器所执行的操作还可包括在存储单元中储存输入数据集和第一多个神经网络权重。
[0016]光电处理循环可包括电求和操作，并且电求和操作可使用在矩阵乘法单元内的电求和模块来执行。电求和模块可被配置以产生对应于模拟输出向量的元素的电流，电流表示光输入向量的相应元素乘以相应神经网络权重的总和。
[0017]第一调制器控制信号可包括与多个预定幅度水平相关的模拟信号，并且幅度水平的每一个与不同对应数字值相关。
[0018]第一调制器控制信号可包括与两个预定幅度水平相关的模拟信号，并且幅度水平的每一个与不同的对应二进制值相关。
[0019]连续数字值可包括在一系列二进制值中的多个连续二进制值。
[0020]控制器可被配置以通过增加与第一时间间隔相关的第一预定幅度水平和与第二时间间隔相关的第二预定幅度水平之间的幅度变化的大小，来整形第一调制器控制信号，以包括用于第二时间间隔的初始部分的带宽增强。
[0021]一系列二进制值可用于确定用于根据不归零(non
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return
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to
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zero；NRZ)调制模式来调制光信号的第一调制器控制信号的幅度水平。
[0022]第一单元可被配置以通过在第二组光调制器中的第一调制器的二极管结构和串联连接在二极管结构和提供第一调制器控制信号的电路之间的电容之间泵浦(pumping)电流，来整形第一调制器控制信号，以包括带宽增强，并且泵浦电流所传输的电荷量可以至少部分地基于在提供连续数字本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种系统，包括：第一单元，被配置以产生多个调制器控制信号；处理器单元，包括：光源或端口，被配置以提供多个光输出；第一组光调制器，耦合至所述光源或端口和所述第一单元，所述第一组光调制器中的光调制器被配置以基于与所述多个调制器控制信号中的第一组调制器控制信号相对应的数字输入值，通过调制由所述光源或端口所提供的所述多个光输出，来产生光输入向量，所述光输入向量包括多个光信号；以及矩阵乘法单元，包括第二组光调制器，其中所述矩阵乘法单元耦合至所述第一单元，并且所述矩阵乘法单元被配置以基于与施加到所述第二组光调制器的所述多个调制器控制信号中的第二组调制器控制信号相对应的多个数字权重值，将所述光输入向量变换为模拟输出向量，其中所述第一组光调制器或所述第二组光调制器中的至少一个的至少一个光调制器被配置以基于所述多个调制器控制信号中的第一调制器控制信号来调制光信号，并且所述第一单元被配置以整形所述第一调制器控制信号，以包括与幅度变化相关的带宽增强，所述幅度变化与对应于所述第一调制器控制信号的连续数字值中的对应变化相关联。2.根据权利要求1所述的系统，还包括：第二单元，耦合至所述矩阵乘法单元，并且所述第二单元被配置以将所述模拟输出向量转换成数字输出向量；以及控制器，包括集成电路，被配置以执行操作，包括：接收人工神经网络计算请求，所述人工神经网络计算请求包括输入数据集，所述输入数据集包括第一数字输入向量；接收第一多个神经网络权重；以及通过所述第一单元，基于所述第一数字输入向量产生第一多个调制器控制信号，并且基于所述第一多个神经网络权重产生第一多个权重控制信号。3.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一单元包括数字模拟转换器(DAC)。4.根据权利要求2所述的系统，还包括存储单元，被配置以储存数据集和多个神经网络权重。5.根据权利要求4所述的系统，其中所述控制器的集成电路还被配置以执行包括在所述存储单元中储存所述输入数据集和所述第一多个神经网络权重的操作。6.根据权利要求2所述的系统，其中所述控制器包括专用集成电路(ASIC)，并且接收人工神经网络计算请求包括从通用数据处理器接收人工神经网络计算请求。7.根据权利要求2所述的系统，其中所述第一单元、所述处理器单元、所述第二单元以及所述控制器被布置在多芯片模块或集成电路中的至少一个上，并且接收人工神经网络计算请求包括从第二数据处理器接收人工神经网络计算请求，其中所述第二数据处理器在所述多芯片模块或所述集成电路的外部，所述第二数据处理器通过通信通道耦合至所述多芯片模块或所述集成电路，并且所述处理器单元能够以比所述通信通道的数据速率大至少一数量级的数据速率来处理数据。8.根据权利要求2至7中任一项所述的系统，其中所述第一单元、所述处理器单元、所述
第二单元以及所述控制器被用于在多个迭代中重复的光电处理循环，并且所述光电处理循环包括：(1)基于所述多个调制器控制信号的至少一个的至少第一光调制操作，以及基于所述权重控制信号的至少一个的至少第二光调制操作，以及(2)(a)电求和操作或(b)电储存操作中的至少一个。9.根据权利要求8所述的系统，其中所述光电处理循环包括电储存操作，并且所述电储存操作使用耦合至所述控制器的存储单元来执行，其中通过所述控制器所执行的操作还包括在所述存储单元中储存所述输入数据集和所述第一多个神经网络权重。10.根据权利要求8所述的系统，其中所述光电处理循环包括电求和操作，并且所述电求和操作使用在所述矩阵乘法单元内的电求和模块来执行，其中所述电求和模块被配置以产生对应于所述模拟输出向量的元素的电流，所述电流表示所述光输入向量的相应元素乘以相应神经网络权重的总和。11.根据权利要求1至7中任一项所述的系统，其中所述第一调制器控制信号包括与多个预定幅度水平相关联的模拟信号，并且每个幅度水平与不同的对应数字值相关联。12.根据权利要求11所述的系统，其中所述第一调制器控制信号包括与两个预定幅度水平相关联的模拟信号，并且每个幅度水平与不同的对应二进制值相关联。13.根据权利要求12所述的系统，其中所述连续数字值包括在一系列二进制值中的连续二进制值。14.根据权利要求13所述的系统，其中所述控制器被配置以通过增加与第一时间间隔相关联的第一预定幅度水平和与第二时间间隔相关联的第二预定幅度水平之间的幅度变化的大小，来整形第一调制器控制信号，以包括用于所述第二时间间隔的初始部分的带宽增强。15.根据权利要求13所述的系统，其中所述一系列二进制值被用于确定用于根据不归零(NRZ)调制模式来调制所述光信号的所述第一调制器控制信号的幅度水平。16.根据权利要求13所述的系统，其中所述第一单元被配置以通过在所述第二组光调制器中的第一调制器的二极管结构和串联连接在所述二极管结构和提供所述第一调制器控制信号的电路之间的电容之间泵浦电流，来整形所述第一调制器控制信号，以包括带宽增强，并且泵浦电流所传输的电荷量至少部分地基于在提供连续数字值的时间周期内恒定的电压来确定。17.一种装置，包括：多个光波导，耦合至第一组光幅度调制器，其中使用所述第一组光幅度调制器，在由所述光波导所承载的相应光信号上编码一组多个输入值；多个复制模块，并且对于一个或多个光信号的至少两个子集中的每一个，一个或多个复制模块的对应一组被配置以将一个或多个光信号的子集分成所述光信号的两个或更多个副本；多个乘法模块，每个乘法模块包括第二组光幅度调制器中的光幅度调制器，并且对于一个或多个光信号的第一子集的至少两个副本中的每一个，对应的乘法模块被配置以使用所述第二组光幅度调制器中的光幅度调制器将所述第一子集中的一个或多个光信号乘以
一个或多个矩阵元素值；以及一个或多个求和模块，并且对于两个或更多个乘法模块的结果，对应的一个求和模块被配置以产生电信号，所述电信号表示所述两个或更多个乘法模块的结果的总和；其中所述第一组光幅度调制器或所述第二组光幅度调制器中的至少一个的至少一个光幅度调制器被配置以使用相对于调制值的绝对值单调增加的功率，通过所述调制值来调制光信号。18.根据权利要求17所述的装置，其中所述第一组光幅度调制器或所述第二组光幅度调制器中的至少一个的至少一个光幅度调制器包括相干敏感光幅度调制器，所述相干敏感光幅度调制器被配置以基于光波之间的干涉，通过所述调制值来调制光信号，所述光波具有相干长度，所述相干长度至少与通过所述相干敏感光幅度调制器的传播距离一样长。19.根据权利要求18所述的装置，其中所述相干敏感光幅度调制器包括马赫曾德尔干涉仪(MZI)，所述马赫曾德尔干涉仪将输入光波导所引导的光波分配至所述马赫曾德尔干涉仪的第一光波导臂和所述马赫曾德尔干涉仪的第二光波导臂，所述第一光波导臂包括有源移相器，所述有源移相器相对于所述第二光波导臂的相位延迟产生相对相移，并且所述马赫曾德尔干涉仪将来自所述第一光波导臂和所述第二光波导臂的光波组合到至少一个输出光波导。20.根据权利要求19所述的装置，其中用于通过调制值来调制光信号的功率包括施加到有源移相器的功率。21.根据权利要求17所述的装置，其中编码在所述相应光信号上的一组多个输入值中的输入值表示与包括所述一个或多个矩阵元素值的矩阵相乘的输入向量的元素。22.根据权利要求21所述的装置，其中一组多个输出值被编码在由所述一个或多个求和模块所产生的相应电信号上，并且该组多个输出值中的输出值表示输出向量的元素，所述输出向量通过所述输入向量乘以所述矩阵产生。23.根据权利要求17所述的装置，其中由光波导所...

【专利技术属性】
技术研发人员：A侯赛因扎德，Y徐，Y白，孟怀宇，R加格农，卢正观，J特里，J邓，M斯坦曼，沈亦晨，
申请(专利权)人：光子智能股份有限公司，
类型：发明
国别省市：