光电计算系统技术方案

一种光电计算系统，包括：具有光子集成电路(PIC)的第一半导体晶粒和具有电子集成电路(EIC)的第二半导体晶粒。PIC包括光波导，其中输入值被编码在由光波导承载的各个光信号上。PIC包括具有分光器的光复制分配网络。PIC包括光电电路部分的阵列，每个光电电路部分从光复制分配网络的输出端口中的一个接收光波，并且每个光电电路部分包括：至少一个光电检测器，其检测来自光电操作的至少一个光波。EIC包括电输入端口，其接收相应的电值。第一半导体晶粒与第二半导体晶粒以受控塌陷芯片连接电耦合，其中PIC的电输出端口连接到EIC的电输入端口中的一个。口中的一个。口中的一个。

【技术实现步骤摘要】
光电计算系统
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2020年3月19日提交的PCT申请PCT/US2020/023674、以及于2020年8月6日提交的美国临时专利申请63/061,995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。人工神经网络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]人工神经网络具有输入层、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，计算人工神经网络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
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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，一种光电计算系统包括：第一半导体晶粒，其包括光子集成电路(PIC)，所述光子集成电路包括：多个光波导，其中多个输入值的集合被编码在由所述光波导承载的各个光信号上；光复制分配网络，其包括多个分光器，其中每个分光器将输入端口处的输入光波的功率的一半传送到两个输出端口中的每一个；以及光电电路部分的阵列，每个光电电路部分从所述光复制分配网络的所述输出端口中的一个接收光波，并且每个光电电路部分包括：至少一个光电检测器，其检测来自光电操作的至少一个光波；
以及至少一个集成在所述光子集成电路中的导线，所述导线电耦接至所述光电检测器并且电耦接至电输出端口；以及第二半导体晶粒，其包括电子集成电路(EIC)，所述电子集成电路包括：多个电输入端口，其接收相应的电值；其中所述第一半导体晶粒与所述第二半导体晶粒以受控塌陷芯片连接电耦接，其中所述光子集成电路的所述电输出端口连接到所述电子集成电路的所述电输入端口中的一个。
[0008]所述系统的实施例可以包括一个或多个以下特征。
[0009]每个光电电路部分包括：光电操作模块，其在(1)基于由所述光复制分配网络缩放的所述输入值中的一个的光值和(2)由电输入端口提供的电值之间执行操作；至少一个光电检测器，其检测来自所述光电操作的至少一个光波；以及至少一个集成在所述光子集成电路中的导线，所述导线电耦接至所述光电检测器并且电耦接至电输出端口。
[0010]所述电子集成电路还包括多个数字模拟转换器(DAC)，其向各个电输出端口提供电值，并且所述光子集成电路的所述电输入端口连接到所述电子集成电路的所述电输出端口。
[0011]所述分光器被布置为二叉树布置中的节点，所述二叉树布置由作为所述二叉树布置中的链路的光波导连接。
[0012]所述光复制分配网络包括多个二叉树布置，每个二叉树布置分配编码在各个光信号上的所述多个输入值中的不同一个。
[0013]所述二叉树布置的根和不同光电电路部分之间的光传播长度都彼此不同。
[0014]所述光复制分配网络中的所述光波导被布置在所述第一半导体晶粒中，以避免与所述光复制分配网络中的任何光波导交叉。
[0015]所述光电电路部分以基本直的多条线的方式布置在所述第一半导体晶粒上。
[0016]所述多条线通过所述光复制分配网络中的一个或多个光波导彼此光学耦接。
[0017]集成在所述光子集成电路中的所述导线的一部分将所述光电检测器连接到来自不同光电电路部分的导线之间的结点。
[0018]所述光电操作模块包括马赫
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曾德尔干涉仪，所述马赫
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曾德尔干涉仪被配置为在(1)基于由所述光复制分配网络缩放的所述输入值中的一个的光值和(2)由电输入端口提供的电值之间执行乘法操作。
[0019]所述电子集成电路还包括跨阻放大器，所述跨阻放大器的输入电耦接到所述光子集成电路的电输出端口。
[0020]在另一个方面，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，耦接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。矩阵乘法单元耦接至第一单元，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。
[0021]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，耦接至矩阵乘法单元，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。
[0022]第一单元可包括数字模拟转换器(digital to analog converter；DAC)。
[0023]系统本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光电计算系统，包括：第一半导体晶粒，其包括光子集成电路(PIC)，所述光子集成电路包括：多个光波导，其被配置为承载光信号，其中多个输入值的集合被编码在由所述光波导承载的相应光信号上；光复制分配网络，其包括多个分光器，其中每个分光器被配置为将输入端口处的输入光波的功率的一半传送到两个输出端口中的每一个；以及光电电路部分的阵列，其中每个光电电路部分被配置为从所述光复制分配网络的所述输出端口中的一个接收光波，并且每个光电电路部分包括：至少一个光电检测器，其被配置为检测来自光电操作的至少一个光波；以及至少一个集成在所述光子集成电路中的传导路径，所述传导路径电耦合至所述光电检测器并且电耦合至电输出端口；以及第二半导体晶粒，其包括电子集成电路(EIC)，所述电子集成电路包括：多个电输入端口，其接收相应的电值；其中所述第一半导体晶粒与所述第二半导体晶粒以受控塌陷芯片连接电耦合，其中所述光子集成电路的所述电输出端口连接到所述电子集成电路的所述电输入端口中的一个。2.根据权利要求1所述的光电计算系统，其中每个光电电路部分包括：光电操作模块，其被配置为在(1)基于由所述光复制分配网络缩放的所述输入值中的一个的第二值和(2)由所述电输入端口提供的电值之间执行操作。3.根据权利要求2所述的光电计算系统，其中所述电子集成电路还包括多个数字模拟转换器(DAC)，其被配置为向各个电输出端口提供电值，并且所述光子集成电路的所述电输入端口连接到所述电子集成电路的所述电输出端口。4.根据权利要求2所述的光电计算系统，其中所述分光器被布置为二叉树布置中的节点，所述二叉树布置由作为所述二叉树布置中的链路的光波导连接。5.根据权利要求4所述的光电计算系统，其中所述光复制分配网络包括多个二叉树布置，每个二叉树布置被配置为分配编码在相应光信号上的所述多个输入值中的不同一个。6.根据权利要求4所述的光电计算系统，其中所述二叉树布置的根和不同光电电路部分之间的光传播长度都彼此不同。7.根据权利要求1至6中任一项所述的光电计算系统，其中，所述光复制分配网络中的所述光波导被布置在所述第一半导体晶粒中，以避免与所述光复制分配网络中的任何光波导交叉。8.根据权利要求1至6中任一项所述的光电计算系统，其中所述光电电路部分以基本直的多条线的方式布置在所述第一半导体晶粒上。9.根据权利要求8所述的光电计算系统，其中所述多条线通过所述光复制分配网络中的一个或多个光波导彼此光学耦合。10.根据权利要求1至6中任一项所述的光电计算系统，其中集成在所述光子集成电路中的所述传导路径的一部分将所述光电检测器连接到来自不同光电电路部分的传导路径之间的结点。11.根据权利要求2至6中任一项所述的光电计算系统，其中所述光电操作模块包括马赫
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曾德尔干涉仪，所述马赫
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曾德尔干涉仪被配置为在(1)基于由所述光复制分配网络缩
放的所述输入值中的一个的所述第二值和(2)由所述电输入端口提供的所述电值之间执行乘法操作。12.根据权利要求1至6中任一项所述的光电计算系统，其中所述电子集成电路还包括跨阻放大器，所述跨阻放大器的输入电耦合到所述光子集成电路的电输出端口。13.一种光电计算系统，包括：第一半导体晶粒，其包括光子集成电路(PIC)，所述光子集成电路包括：多个光波导，其被配置为承载光信号，其中多个输入值的集合被编码在由所述光波导承载的相应光信号上；光网络，其包括多个分光器或定向耦合器；以及光电电路部分的阵列，其中每个光电电路部分被配置为从所述光网络的所述输出端口中的一个接收光波，并且每个光电电路部分包括：至少一个光电检测器，其被配置为检测来自操作的至少一个光波；以及至少一个集成在所述光子集成电路中的传导线，所述传导线电耦合至所述光电检测器并且电耦合至电输出端口；以及第二半导体晶粒，其包括电子集成电路(EIC)，所述电子集成电路包括：多个电输入端口，其接收相应的电值；其中所述第一半导体晶粒与所述第二半导体晶粒以受控塌陷芯片连接电耦合，其中所述光子集成电路的所述电输出端口连接到所述电子集成电路的所述电输入端口中的一个。14.根据权利要求13所述的光电计算系统，其中每个分光器将输入端口处的输入光波的功率的一半传送到两个输出端口中的每一个。15.根据权利要求13所述的光电计算系统，其中所述光网络包括级联的定向耦合器。16.根据权利要求13所述的光电计算系统，其中，所述光网络包括：第一层，其位于所述第一半导体晶粒中的第一深度处，包括包覆层材料和在所述包覆层材料内由芯材料形成的多个光波导；第二层，其位于所述第一半导体晶粒中的第二深度处，包括所述包覆层材料和在所述包覆层材料内由所述芯材料形成的多个光波导；第三层，其位于所述第一半导体晶粒中的所述第一深度和所述第二深度之间的第三深度处，包括所述包覆层材料和多个耦合结构。17.根据权利要求16所述的光电计算系统，其中，所述光网络还包括：第四层，其位于所述第一半导体晶粒中的所述第一深度和所述第三深度之间的第四深度处，包括所述包覆层材料和多个耦合结构。18.根据权利要求17所述的光电计算系统，其中，所述第三层中的耦合结构和所述第四层中的耦合结构彼此靠近地布置，以提供所述第一层中的波导和所述第二层中的波导之间的耦合。19.根据权利要求17所述的光电计算系统，其中，所述光网络还包括：第五层，其位于所述第一半导体晶粒中的所述第二深度和所述第三深度之间的第五深度处，包括所述包覆层材料和多个耦合结构。20.根据权利要求13所述的光电计算系统，其中每个光电电路部分包括：执行所述操作的光电操作模块，其中所述操作在(1)基于由所述光网络缩放的所述输
入值中的一个的第二值和(2)由所述电输入端口提供的电值之间。21.根据权利要求13所述的光电计算系统，其中所述电子集成电路还包括多个数字模拟转换器(DAC)，其被配置为向各个电输出端口提供电值，并且所述光子集成电路的所述电输入端口连接到所述电子集成电路的所述电输出端口。22.根据权利要求13所述的光电计算系统，其中所述分光器被布置为二叉树布置中的节点，所述二叉树布置由作为所述二叉树布置中的链路的光波导连接。23.根据权利要求22所述的光电计算系统，其中所述光网络包括多个二叉树布置，每个二叉树布置分配编码在相应光信号上的所述多个输入值中的不同一个。24.根据权利要求22所述的光电计算系统，其中所述二叉树布置的根和不同光电电路部分之间的光传播长度都彼此不同。25.根据权利要求13至24中任一项所述的光电计算系统，其中，所述光网络中的所述光波导被布置在所述第一半导体晶粒中，以避免与所述光网络中的任何光波导交叉。26.根据权利要求13至24中任一项所述的光电计算系统，其中所述光电电路部分以基本直的多条线的方式布置在所述第一半导体晶粒上。27.根据权利要求26所述的光电计算系统，其中所述多条线通过所述光网络中的一个或多个光波导彼此光学耦合。28.根据权利要求13至24中任一项所述的光电计算系统，其中集成在所述光子集成电路中的所述传导线的一部分将所述光电检测器连接到来自不同光电电路部分的传导路径之间的结点。29.根据权利要求20至24中任一项所述的光电计算系统，其中所述光电操作模块包括马赫
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曾德尔干涉仪，所述马赫
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曾德尔干涉仪被配置为在(1)基于由所述光网络缩放的所述输入值中的一个的光值和(2)由所述电输入端口提供的电值之间执行乘法操作。30.根据权利要求13至24中任一项所述的光电计算系统，其中所述电子集成电路还包括跨阻放大器，所述跨阻放大器的输入电耦合到所述光子集成电路的电输出端口。31.一种光电计算系统，包括：第一半导体晶粒，其包括光子集成电路(PIC)，所述光子集成电路包括：多个光波导，其被配置为承载光信号，其中多个输入值的集合被编码在由所述光波导承载的相应光信号上；光复制分配网络，其包括多个分光器，其中每个分光器被配置为将输入端口处的输入光波的功率的一部分传送到所述分光器的两个输出端口中的每一个，并且所述光复制分配网络的输出端口中的每个提供所述输入光波的一部分，所述输入光波承载对由相同的比例缩放的所述输入值中的一个的进行编码光信号；以及光电电路部分的阵列，其中每个光电电路部分被配置为从所述光复制分配网络的所述输出端口中的一个接收光波，并且每个光电电路部分包括：至少一个光电检测器，其被配置为检测来自光电操作的至少一个光波；以及至少一个集成在所述光子集成电路中的传导路径，所述传导路径电耦合至所述光电检测器并且电耦合至电输出端口；以及第二半导体晶粒，其包括电子集成电路(EIC)，所述电子集成电路包括：多个电输入端口，其接收相应的电值；
其中所述第一半导体晶粒与所述第二半导体晶粒以受控塌陷芯片连接电耦合，其中所述光子集成电路的所述电输出端口连接到所述电子集成电路的所述电输入端口中的一个。32.根据权利要求31所述的光电计算系统，其中每个光电电路部分包括：光电操作模块，其被配置为在(1)基于由所述光复制分配网络缩放的所述输入值中的一个的第二值和(2)由所述电输入端口提供的电值之间执行所述操作。33.根据权利要求31所述的光电计算系统，其中所述电子集成电路还包括多个数字模拟转换器(DAC)，其向各个电输出端口提供电值，并且所述光子集成电路的所述电输入端口连接到所述电子集成电路的所述电输出端口。34.根据权利要求31所述的光电计算系统，其中所述多个分光器被配置为将所述输入端口处的输入光波的功率的一半传送到两个输出端口中的每一个，并且所述分光器被布置为二叉树布置中的节点，所述二叉树布置由作为所述二叉树布置中的链路的光波导连接。35.根据权利要求31所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟怀宇，Y徐，G亨德里，L欧，J邓，R加格农，卢正观，M斯坦曼，M埃文斯，吴建华，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：