Кіріспе
Оптикалық нейрондық желі (ОНН) – оптикалық компоненттерді пайдаланатын жасанды нейрондық желінің физикалық іске асырылуы.
Электрохимиялық және оптикалық нейрондық желілер
Биологиялық нейрондық желілер электрохимиялық, ал оптикалық нейрондық желілер электромагниттік толқындарды қолданады. Биологиялық нейрондық желілерге оптикалық интерфейстерді оптогенетика арқылы құруға болады. Биологиялық нейрондық желілер нейрондардың күйін өзгерту үшін көптеген механизмдерді пайдаланады. Оларға қысқа мерзімді және ұзақ мерзімді синапты пластикалық қасиеттер жатады. Синапты пластикалық – бұл синаптық берілу тиімділігін бақылауға қолданылатын электрофизиологиялық құбылыстардың бірі, оның ішінде оқып-үйрену және есте сақтау үшін ұзақ мерзімді, ал синаптық берілу тиімділігінің уақытша өзгерістері үшін қысқа мерзімді. Мұны ідеалды түрде жүзеге асыру үшін жетілдірілген фотоникалық материалдар қажет. Оптикалық нейрондық желілер үшін фотоникалық материалдардың қажетті қасиеттерінің бірі – кіріс жарықтың интенсивтілігіне байланысты жарық беру тиімділігін өзгерту қабілеті.
Көлемдік голограмма
Алғашқы ONN-дер кіріс нейрондарының массивтерін синаптық салмақтары мультиплекстелген голограмманың күшіне пропорционалды болатын шығыс массивтерімен байланыстыру үшін фоторефрактивтік көлемді голограмма қолданды. Көлемді голограммалар спектрлік тесік жағу арқылы толқын ұзындығының бір өлшемін кеңістікке қосып, екі өлшемді нейрондық кіріс және шығыс массивтерінің төрт өлшемді байланысын жасау үшін одан әрі мультиплекстелді. Бұл нейрондық байланыстарды жүзеге асыру үшін оптикалық байланыстың күшін пайдаланатын балама әдістерді зерттеуге алып келді.
Кремний фотоникасы
Кремний фотоникасы жоғары жылдамдық береді, бірақ еркін кеңістіктегі оптиканың қамтамасыз ете алатын кең ауқымды параллелизмге ие емес.
Бос кеңістіктегі оптика
Бос кеңістіктегі оптика маңызды параллелизмді ұсынады. Бір іске асыруда қолмен жазылған цифрларды жіктеу үшін фазалық маскалар қолданылды. 3D-баспамен жасалған фазалық маскалар арқылы өтетін жарық, он детектордан тұратын фотодетектор массивімен оқылады, олардың әрқайсысы цифр класын (0-ден 9-ға дейін) көрсетеді. Бұл желі терагерцтік жылдамдыққа қол жеткізе алғанымен, фазалық маскалар нақты бір міндет үшін жасалғандықтан және оларды жаттықтыру мүмкін болмағандықтан, икемділік танытпайды. Баламалы әдіс 4F конволюциялық жүйені қолданады. Бұл жүйе екі линзаны пайдаланып конволюциялық Фурье түрлендіруін жүзеге асырады, қуатты тұтыну немесе кешігусіз Фурье доменіне пассивті түрлендіруді қамтамасыз етеді. Конволюциялық ядролар – міндетке қатысты бекітілген фазалық маскалар. 4F жүйесінің параллелизмін пайдалану үшін тағы бір техника ядролық плитканы қолданады, фазалық масканың орнына цифрлық микрозеркалды құрылғыны (DMD) пайдаланады. Ядроларды 4F жүйесіне енгізіп, қорытынды шығаруға болады. Типикалық нейрондық желілер 4F жүйелері үшін емес, төменірек ажыратымдылықпен және олардың ерекшелік карталарында көбірек каналдармен жобаланған.
Бағдарламаланатын оптикалық массив/аналогты компьютер
Бағдарламаланатын оптикалық массив / аналогты компьютер (POAC) 2000 жылы өзгертілген біріктірілген Фурье трансформациясы корреляторы (JTC) және бактериородопсин (BR) негізінде голографиялық оптикалық жад ретінде жүзеге асырылды. Жүйе толық параллелизмді, үлкен массивтік өлшемді және оптикалық конволюциялық нейрондық желідегі жарық жылдамдығын қамтамасыз етті. POAC – бұл жалпы мақсаттағы және бағдарламаланатын массивтік компьютер, ол келесілерді қоса алғанда, кең ауқымды қолданыстарға ие: бейнелерді өңдеу, үлгілерді тану, нысананы іздеу, нақты уақыт режимінде бейне өңдеу, құжаттардың қауіпсіздігі және оптикалық коммутация.
Гибридті
Taichi – оптикалық дифракцияның қуат үнемділігі мен параллельдігін және оптикалық интерференцияның конфигурациялану мүмкіндігін біріктіретін гибридті ONN. Taichi 13,96 миллион параметр ұсынады. Taichi көп қабатты терең желілерге тән жоғары қателік деңгейінен сақтану үшін, азырақ қабаттардан тұратын дифракциялық блоктарды және қайта конфигурацияланатын есептеулер үшін интерферометрлер тізбектерін үйлестіреді. Оның кодтау протоколы үлкен желілік модельдерді бірнеше чиплеттерге параллель бөлінетін кіші модельдерге жіктейді. Taichi Omniglot дерекқорымен жүргізілген сынақтарда 91,89% дәлдік көрсетті. Сондай-ақ, Бахтың музыкасын жасау және Ван Гог пен Мунк стильдеріндегі суреттерді шығару үшін қолданылды. Сұйық кристалды кеңістіктік жарық модуляторларымен Кохоненнің өзін-өзі ұйымдастыратын картасы да қолданылды. Нейроморфтық инженерияны нейроморфты фотоникалық жүйелерді құру үшін пайдалануға болады. Әдетте, мұндай жүйелер ақпаратты желілерде импульстар арқылы кодтайды, оптикалық және фотоникалық аппараттық құралдарда импульстық нейрондық желілердің функционалдығын имитациялайды. Басқа фотоникалық құрылғылар да нейроморфтық мүмкіндіктерді көрсетті, оларға тік қуысты беттік лазерлерді шығарушылар, интеграцияланған фотоникалық модуляторлар, суперөткізгіш Джозефсон түйіндеріне негізделген оптоэлектрондық жүйелер немесе резонанстық туннельдік диодтарға негізделген жүйелер жатады.