一种片上神经元及其设计方法、信息处理方法、神经网络技术

本发明专利技术涉及一种片上神经元及其设计方法、信息处理方法、神经网络；解决现有芯片上神经元的集成数量与规模等仍受电互连带宽、脉冲损耗和通信延迟限制的问题；片上神经元包括上下载型微环结构以及波导型定向耦合器；上下载型微环结构包括微环波导、上载波导和下载波导，微环波导上设置有相变材料制成的第一相变薄膜；波导型定向耦合器的数量为至少两个，且每个波导型定向耦合器的耦合端均与下载波导的输入端连接，波导型定向耦合器的耦合区设置有相变材料制成的第二相变薄膜；本发明专利技术还提出基于上述神经元的设计方法、信息处理方法、神经网络。网络。网络。

【技术实现步骤摘要】
一种片上神经元及其设计方法、信息处理方法、神经网络


[0001]本专利技术涉及一种可以模拟神经元功能的片上集成光学结构，具体涉及一种片上神经元及其设计方法、信息处理方法、神经网络。

技术介绍

[0002]人脸识别、机器翻译、自动驾驶等基于人工智能技术的应用正改变着人们的日常生活，特定任务人工智能的实现需要借助计算机对神经网络进行大数据量训练，但是现行计算机架构下吞吐量十分有限，对神经网络的训练效率低下。
[0003]受脑结构启发，研究人员提出了模拟突触和神经元的下一代智能计算系统，将待处理的信息编码为前突触神经元的脉冲时空信息，后突触神经元进行脉冲累积，达到刺激阈值后发射新的神经元脉冲，通过大量神经元组合的方式形成非线性脉冲神经网络，并由时空编码的神经元脉冲实现信息处理。英特尔TrueNorth芯片已实现在单个芯片上集成数量达百万量级的神经元，在处理特定人工智能任务时，能效比传统微电子芯片高两个数量级接近人类大脑水平，但是这类神经元的集成数量与规模等仍受电互连带宽、脉冲损耗和通信延迟限制。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是解决现有芯片上神经元的集成数量与规模等仍受电互连带宽、脉冲损耗和通信延迟限制的问题，而提供了一种片上神经元及其设计方法、信息处理方法、神经网络。
[0005]本专利技术的设计思路如下：
[0006]光互连具有大带宽、低损耗、低延迟的特点，可以解决上述电互连难题，据报道神经拟态光子系统在处理速度上比神经拟态电子系统可高出6
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8个量级。
[0007]硅基光电子技术是一项可与发展成熟的微电子技术兼容的光电子集成技术，该技术可结合CMOS技术超大规模逻辑、超高精度的制造特性和光子技术超高速率、超低功耗的优势，是一项可解决技术演进与成本矛盾的创新性技术，基于硅基光电子技术的神经拟态器件，具有更高的脉冲时间分辨率和更小的通信延迟及损耗，可实现神经网络大规模分布式架构。
[0008]前突触到后突触的输入输出非线性函数关系是在神经元模型中实现信息处理和类脑智能的重要机制。在光电子集成芯片上实现非线性映射需借助非线性光学材料，如可饱和吸收材料或相变材料，相变材料具有阈值开关及渐进的单晶/非晶转换特性，可用来同时模拟突触可塑性及神经元整合放电功能，基于该类材料与光电子技术的光子神经拟态器件有望解决传统脉冲神经网络的规模限制、响应延迟和脉冲传输能耗问题，突破电子系统在人工智能等高性能计算领域中的计算效率、内存、输入/输出、能耗等多方面瓶颈。
[0009]具有可塑权重特性的突触由耦合区覆盖有相变薄膜的定向耦合结构实现。通过泵浦脉冲信号引起相变薄膜的光致相变，实现耦合系数调整，进而引起定向耦合结构耦合输
出光功率的改变，多个定向耦合器的耦合输出端均连接同一直波导的输入端，可实现多个定向耦合器的输出功率叠加。
[0010]具有整合放电功能的神经元由具有相变单元的上下载型微环结构模拟。
[0011]上下载型微环结构的上载直波导工作在探测光信号波段、下侧的弧形波导工作在泵浦脉冲信号波段，并在微环波导上沉积一段相变薄膜，通过弧形波导输入脉冲的累加，在达到相变薄膜相变阈值的情况下可致微环结构中相变薄膜发生相变，进而改变探测光信号在上载直波导输出端的输出幅度，以此来模拟神经元的整合放电功能。
[0012]将多个定向耦合器的输出端与上下载型微环结构中的弧形波导输入端相连接，可通过控制定向耦合器中相变薄膜的状态实现定向耦合器输入端输入功率选择。
[0013]为了完成上述构思，本专利技术所采用的技术方案是。
[0014]一种片上神经元，其特殊之处在于：
[0015]包括上下载型微环结构以及波导型定向耦合器；
[0016]所述上下载型微环结构包括微环波导和分别设置在微环波导上下两侧的上载波导和下载波导，所述微环波导上设置有相变材料制成的第一相变薄膜；
[0017]所述波导型定向耦合器的数量为至少两个，且每个波导型定向耦合器的耦合端均与下载波导的输入端连接，所述波导型定向耦合器的耦合区设置有相变材料制成的第二相变薄膜；
[0018]所述波导型定向耦合器的输入端用于接收外部泵浦脉冲信号；
[0019]所述上载波导的输入端用于接收探测光信号，输出端用于输出探测光脉冲信号，所述波导型定向耦合器的直通输出端口与隔离端口空置；所述下载波导的输出端空置；由于采用上下载型微环结构模拟神经元的整合放电功能，可进行泵浦脉冲信号与探测光信号波段的分离，减少探测光信号传输损耗，基于该低损耗的片上神经元可实现片上神经拟态器件的大规模扩展级联以及实现光子神经拟态功能。
[0020]进一步地，所述定向耦合器的数量为四个。
[0021]进一步地，所述上载波导为上载直波导；
[0022]所述下载波导包括弧形波导以及分别沿弧形波导的输入端、输出端延伸的输入下载直波导和输出下载直波导；所述弧形波导位于微环波导的正下方；
[0023]四个所述波导型定向耦合器的输出端均与输入下载直波导连接；可以通过调整弧形波导的圆心角以及弧形波导与微环波导之间的距离，实现上下载型微环结构的工作波段的调整。
[0024]进一步地，四个所述波导型定向耦合器沿输入下载直波导输入端延伸方向依次排布，基于本专利技术的结构，可以通过根据波导型定向耦合器的数量调整输入下载直波导的长度。
[0025]进一步地，所述上下载型微环结构和波导型定向耦合器的材料为硅或氧化硅或氮化硅或三五族材料或铌酸锂材料。
[0026]本专利技术还提出一种上述片上神经元设计方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
[0027]步骤1：设置上下载型微环结构、波导型定向耦合器、第一相变薄膜和第二相变薄膜的结构参数，构建片上神经元，并设定泵浦脉冲信号的峰值功率与脉冲宽度，所述泵浦脉冲信号的峰值功率与脉冲宽度须保证可达到第一相变薄膜的相变阈值；
[0028]所述参数包括上下载型微环结构中，上载波导、下载波导和微环波导的波导宽度、微环波导的半径以及耦合区的波导间距；波导型定向耦合器的波导宽度、耦合长度以及耦合区的波导间距；第一相变薄膜与第二相变薄膜的宽度以及长度；
[0029]步骤2：对上载波导的输入端输入探测光信号；每个波导型定向耦合器的输入端输入泵浦脉冲信号，上载波导的输出端输出探测光脉冲信号，若探测光脉冲信号满足要求，则完成片上神经元的设计，反之，则进行步骤3；
[0030]步骤3：暂停探测光信号以及泵浦脉冲信号的输入，并调整步骤1中所述参数中的至少一个，并进行步骤4；
[0031]步骤4：对上载波导的输入端输入探测光信号；每个波导型定向耦合器的输入端输入泵浦脉冲信号，在上载波导的输出端输出探测光脉冲信号；若探测光脉冲信号满足需求，则完成片上神经元的制备；反之，则返回步骤3，直到探测光脉冲信号满足需求。
[0032]进一步地，步骤1中,所述下载波导包括弧形波导以及分别沿弧形波导的输入端、输出端延伸的输入下载直波导和输出下本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种片上神经元，其特征在于：包括上下载型微环结构(1)以及波导型定向耦合器(2)；所述上下载型微环结构(1)包括微环波导(11)和分别设置在微环波导(11)上下两侧的上载波导(12)和下载波导(13)，所述微环波导(11)上设置有相变材料制成的第一相变薄膜(3)；所述波导型定向耦合器(2)的数量为至少两个，且每个波导型定向耦合器(2)的耦合端均与下载波导(13)的输入端连接，所述波导型定向耦合器(2)的耦合区设置有相变材料制成的第二相变薄膜(4)；所述波导型定向耦合器(2)的输入端用于接收外部泵浦脉冲信号；所述上载波导(12)的输入端用于接收探测光信号，输出端用于输出探测光脉冲信号。2.根据权利要求1所述的一种片上神经元，其特征在于：所述波导型定向耦合器(2)的数量为四个。3.根据权利要求2所述的一种片上神经元，其特征在于：所述上载波导(12)为上载直波导；所述下载波导(13)包括弧形波导(131)以及分别沿弧形波导(131)的输入端、输出端延伸的输入下载直波导(132)和输出下载直波导(133)；所述弧形波导(131)位于微环波导(11)的正下方；四个所述波导型定向耦合器(2)的耦合端均与输入下载直波导(132)连接。4.根据权利要求3所述的一种片上神经元，其特征在于：四个所述波导型定向耦合器(2)沿输入下载直波导(132)输入端延伸方向依次排布。5.根据权利要求1
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4任一所述的一种片上神经元，其特征在于：所述上下载型微环结构(1)和波导型定向耦合器(2)的材料为硅或氧化硅或氮化硅或三五族材料或铌酸锂材料。6.一种权利要求1
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5任一所述的片上神经元设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：设置上下载型微环结构(1)、波导型定向耦合器(2)、第一相变薄膜(3)和第二相变薄膜(4)的结构参数，构建片上神经元，并设定泵浦脉冲信号的峰值功率与脉冲宽度，所述泵浦脉冲信号的峰值功率与脉冲宽度须保证可达到第一相变薄膜(3)的相变阈值；所述参数包括上下载型微环结构(1)中，上载波导(12)、下载波导(13)和微环波导(11)的波导宽度、微环波导(11)的半径以及耦合区的波导间距；波导型定向耦合器(2)的波导宽度、耦合长度以及耦合区的波导间距；第一相变薄膜(3)与第二相变薄膜(4)的宽度以及长度；步骤2：对上载波导(12)的输入端输入探测光信号；每个波导型定...

【专利技术属性】
技术研发人员：李田甜，刘宇鑫，李艺杰，刘玉萌，惠战强，韩冬冬，
申请(专利权)人：西安邮电大学，
类型：发明
国别省市：