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

研究背景
 

　　從2012年以來，針對最大的AI模型的訓練，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。為解決電子計算機算力受限問題，以光學手段物理實現(xiàn)電學計算的光計算逐漸成為重要手段。其中，基于光散射的光電儲備池計算(ORC)是一種先進的光學神經(jīng)網(wǎng)絡，其利用光散射對光信息打散重組的機理，可光速實現(xiàn)數(shù)萬量級神經(jīng)元的矩陣乘法，在針對各種時序信號的高效處理中顯示了出獨特優(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)絡計算精度。此外，網(wǎng)絡通過光調(diào)制器、探測器以及計算機之間的較長數(shù)據(jù)通信鏈路實現(xiàn)遞歸訓練，這對運算速度和系統(tǒng)穩(wěn)定性的提升形成了明顯的阻礙。
 

　　創(chuàng)新成果
 

　　針對單維度數(shù)據(jù)編碼導致網(wǎng)絡精度受限的問題，上海交通大學楊佳苗團隊提出了基于復值編碼的光電儲備池計算新方法。該方法通過調(diào)控光場復振幅提高數(shù)據(jù)輸入分辨率，引入尺度因子微調(diào)儲備池動力學以獲得更優(yōu)的網(wǎng)絡性能。針對數(shù)據(jù)通信鏈路過長導致網(wǎng)絡速度和穩(wěn)定性受限的問題，團隊使用高速光網(wǎng)通信接口和開發(fā)專用的現(xiàn)場可編程門陣列構(gòu)建了集成運算處理器，大幅提升了網(wǎng)絡運算速度。
 

基于復值編碼的光電儲備池計算原理圖
 

　　該研究使光電儲備池的數(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)集時序預測任務時，與常規(guī)光電儲備池相比，網(wǎng)絡的歸一化均方誤差減少了約75%。此外，該網(wǎng)絡還可以應用于天氣時序數(shù)據(jù)分析，有效地預測了24小時內(nèi)虹橋國際機場的溫度和濕度數(shù)據(jù)。
 

提升數(shù)據(jù)輸入分辨率和網(wǎng)絡時序數(shù)據(jù)預測精度
 

　　同時，通過光路仿真與優(yōu)化、運算電路板設計與開發(fā)以及集成化機械結(jié)構(gòu)設計，將原本耗時的數(shù)據(jù)編碼過程、數(shù)據(jù)解析過程、計算機、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高速運算板卡中，將運算速率提升兩倍以上(至1200hz)。研究成果有望推動大規(guī)模高精度光計算的發(fā)展與落地。
 

光電儲備池集成運算系統(tǒng)
 

　　研究團隊
 

　　上海交通大學電子信息與電氣工程學院感知科學與工程學院副教授楊佳苗和北京大學生物醫(yī)學工程系、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)制器由楊佳苗團隊自主研發(fā)。
 

　　楊佳苗團隊長期致力于光學檢測/成像、光場調(diào)控、光計算等方面的科學研究，以及相關智能光電儀器設計、制造、集成等技術研發(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)表高水平學術論文30余篇，研究成果受到中央電視臺《新聞聯(lián)播》、美國物理學聯(lián)合會《科學之光》《世界科技研究新聞資訊網(wǎng)》《科技探索網(wǎng)》等報道。