上海交大楊佳苗團(tuán)隊(duì)在高精度光散射光電計(jì)算方向取得重要進(jìn)展

　　【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院感知科學(xué)與工程學(xué)院楊佳苗團(tuán)隊(duì)和北京大學(xué)魏勛斌教授合作，在高精度光散射光電儲(chǔ)備池計(jì)算中取得重要進(jìn)展，相關(guān)成果以“Optoelectronic reservoir computing based on complex-value encoding”(基于復(fù)值編碼的光電儲(chǔ)備池計(jì)算)為題發(fā)表在中國激光雜志社高質(zhì)量國際學(xué)術(shù)期刊 《Advanced Photonics Nexus》上。
 

研究背景
 

　　從2012年以來，針對(duì)最大的AI模型的訓(xùn)練，算力的消耗已經(jīng)增長了30萬倍，平均每100天翻一番，大大超過了摩爾定律所描述的兩年翻倍的速度。為解決電子計(jì)算機(jī)算力受限問題，以光學(xué)手段物理實(shí)現(xiàn)電學(xué)計(jì)算的光計(jì)算逐漸成為重要手段。其中，基于光散射的光電儲(chǔ)備池計(jì)算(ORC)是一種先進(jìn)的光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，其利用光散射對(duì)光信息打散重組的機(jī)理，可光速實(shí)現(xiàn)數(shù)萬量級(jí)神經(jīng)元的矩陣乘法，在針對(duì)各種時(shí)序信號(hào)的高效處理中顯示了出獨(dú)特優(yōu)勢。然而，目前基于光散射的ORC僅使用散射光場的振幅或相位來編碼信息，忽略了相干光傳播中各維度信息的相互作用，限制了數(shù)據(jù)輸入分辨率，影響網(wǎng)絡(luò)計(jì)算精度。此外，網(wǎng)絡(luò)通過光調(diào)制器、探測器以及計(jì)算機(jī)之間的較長數(shù)據(jù)通信鏈路實(shí)現(xiàn)遞歸訓(xùn)練，這對(duì)運(yùn)算速度和系統(tǒng)穩(wěn)定性的提升形成了明顯的阻礙。
 

　　創(chuàng)新成果
 

　　針對(duì)單維度數(shù)據(jù)編碼導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)精度受限的問題，上海交通大學(xué)楊佳苗團(tuán)隊(duì)提出了基于復(fù)值編碼的光電儲(chǔ)備池計(jì)算新方法。該方法通過調(diào)控光場復(fù)振幅提高數(shù)據(jù)輸入分辨率，引入尺度因子微調(diào)儲(chǔ)備池動(dòng)力學(xué)以獲得更優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)性能。針對(duì)數(shù)據(jù)通信鏈路過長導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)速度和穩(wěn)定性受限的問題，團(tuán)隊(duì)使用高速光網(wǎng)通信接口和開發(fā)專用的現(xiàn)場可編程門陣列構(gòu)建了集成運(yùn)算處理器，大幅提升了網(wǎng)絡(luò)運(yùn)算速度。
 

基于復(fù)值編碼的光電儲(chǔ)備池計(jì)算原理圖
 

　　該研究使光電儲(chǔ)備池的數(shù)據(jù)輸入分辨率得到大幅提高，這使得在處理Mackey-Glass數(shù)據(jù)集時(shí)序預(yù)測任務(wù)時(shí)，與常規(guī)光電儲(chǔ)備池相比，網(wǎng)絡(luò)的歸一化均方誤差減少了約75%。此外，該網(wǎng)絡(luò)還可以應(yīng)用于天氣時(shí)序數(shù)據(jù)分析，有效地預(yù)測了24小時(shí)內(nèi)虹橋國際機(jī)場的溫度和濕度數(shù)據(jù)。
 

提升數(shù)據(jù)輸入分辨率和網(wǎng)絡(luò)時(shí)序數(shù)據(jù)預(yù)測精度
 

　　同時(shí)，通過光路仿真與優(yōu)化、運(yùn)算電路板設(shè)計(jì)與開發(fā)以及集成化機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將原本耗時(shí)的數(shù)據(jù)編碼過程、數(shù)據(jù)解析過程、計(jì)算機(jī)、調(diào)制器與探測器的數(shù)據(jù)通信過程等全部遷移到所開發(fā)的專用FPGA高速運(yùn)算板卡中，將運(yùn)算速率提升兩倍以上(至1200hz)。研究成果有望推動(dòng)大規(guī)模高精度光計(jì)算的發(fā)展與落地。
 

光電儲(chǔ)備池集成運(yùn)算系統(tǒng)
 

　　研究團(tuán)隊(duì)
 

　　上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院感知科學(xué)與工程學(xué)院副教授楊佳苗和北京大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系、國際癌癥研究院教授魏勛斌為共同通訊作者，博士生丁春旭和助理研究員邵榮君為共同第一作者，該工作是與華為技術(shù)有限公司的合作成果，工作中所用高速高精度空間光調(diào)制器由楊佳苗團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)。
 

　　楊佳苗團(tuán)隊(duì)長期致力于光學(xué)檢測/成像、光場調(diào)控、光計(jì)算等方面的科學(xué)研究，以及相關(guān)智能光電儀器設(shè)計(jì)、制造、集成等技術(shù)研發(fā)。楊佳苗以第一作者/通訊作者在《Nature Communications》《Science Advances》《Light: Science & Applications》《Laser & Photonics Reviews》《Optica》《Photonics Research》等國際著名期刊發(fā)表高水平學(xué)術(shù)論文30余篇，研究成果受到中央電視臺(tái)《新聞聯(lián)播》、美國物理學(xué)聯(lián)合會(huì)《科學(xué)之光》《世界科技研究新聞資訊網(wǎng)》《科技探索網(wǎng)》等報(bào)道。