Введение
Оптическая нейронная сеть (ONN) — это физическая реализация искусственной нейронной сети, использующая оптические компоненты.
Электрохимические и оптические нейронные сети
Биологические нейронные сети являются электрохимическими, в то время как оптические нейронные сети используют электромагнитные волны. Оптические интерфейсы для биологических нейронных сетей могут быть созданы с помощью оптогенетики. Биологические нейронные сети используют множество механизмов для изменения состояния нейронов, включая кратковременную и долговременную синаптическую пластичность. Синаптическая пластичность – одно из электрофизиологических явлений, используемых для контроля эффективности синаптической передачи: долговременная – для обучения и памяти, кратковременная – для временных изменений эффективности синаптической передачи. Идеальная реализация этого требует передовых фотонных материалов. К желаемым свойствам фотонных материалов для оптических нейронных сетей относится способность изменять эффективность пропускания света в зависимости от интенсивности входящего света.
Голограмма объема
Ранние ОНН использовали фоторефрактивную объемную голограмму для соединения массивов входных нейронов с массивами выходных, при этом синаптические веса были пропорциональны интенсивности мультиплексированной голограммы. Объемные голограммы дополнительно мультиплексировались с помощью спектрального сжигания дыр, чтобы добавить измерение длины волны к пространственным измерениям и добиться четырехмерных соединений двухмерных массивов нейронных входов и выходов. Это привело к исследованиям альтернативных методов, использующих интенсивность оптического соединения для реализации нейронных коммуникаций.
Кремниевая фотоника
Кремниевая фотоника обеспечивает более высокую скорость, но уступает свободной оптике по масштабу параллелизма.
Оптика свободного пространства
Оптика свободного пространства обеспечивает значительный параллелизм. В одной из реализаций использовались фазовые маски для классификатора рукописных цифр. Свет, проходящий через слои 3D-печатных фазовых масок, считывается фотодетекторным массивом из десяти детекторов, каждый из которых соответствует классу цифры (от 0 до 9). Хотя эта сеть способна достигать терагерцовых скоростей, ей не хватает гибкости, так как фазовые маски изготавливаются для конкретной задачи и не подлежат обучению. Альтернативный метод использует 4F-сверточную систему. Эта система применяет две линзы для выполнения преобразований Фурье, обеспечивая пассивное преобразование в частотную область без энергопотребления и задержек. Сверточные ядра представляют собой фиксированные фазовые маски, специфичные для задачи. Другая техника использует разбиение ядра на блоки для использования параллелизма системы 4F с применением цифрового микрозеркального устройства (DMD) вместо фазовой маски. Ядра могут быть загружены в систему 4F для выполнения логического вывода. Типичные нейронные сети не оптимизированы для систем 4F, используя более низкое разрешение и большее количество каналов в картах признаков.
Программируемая оптическая матрица/аналоговый компьютер
Программируемый оптический массив / аналоговый компьютер (POAC) был реализован в 2000 году на основе модифицированного коррелятора совместного преобразования Фурье (JTC) и бактериородопсина (BR) в качестве голографической оптической памяти. Система обеспечивала полный параллелизм, большой размер массива и скорость света в оптической свёрточной нейронной сети. POAC – это универсальный и программируемый массивный компьютер, имеющий широкий спектр применений, включая: обработку изображений, распознавание образов, сопровождение объектов, обработку видео в реальном времени, защиту документов и оптическую коммутацию.
Гибридный
Taichi – это гибридная ONN, сочетающая в себе энергоэффективность и параллелизм оптической дифракции с конфигурируемостью оптической интерференции. Taichi предлагает 13,96 миллиона параметров. Taichi позволяет избежать высоких показателей ошибок, характерных для глубоких (многослойных) нейронных сетей, благодаря объединению кластеров дифракционных элементов с меньшим количеством слоев с массивами интерферометров для реконфигурируемых вычислений. Его протокол кодирования разделяет большие сетевые модели на подмодели, которые могут быть распределены по нескольким чиплетам параллельно. Taichi продемонстрировал точность 91,89% в тестах с использованием базы данных Omniglot. Он также был использован для генерации музыки в стиле Баха и создания изображений в стилях Ван Гога и Мунка, а также для реализации самоорганизующейся карты Кохонена с использованием жидкокристаллических пространственных модуляторов света. Нейроморфная инженерия может быть использована для создания нейроморфных фотонных систем. Обычно в таких системах информация в сетях кодируется с помощью импульсов, имитируя функциональность спайковых нейронных сетей в оптическом и фотонном оборудовании. Другие фотонные устройства также продемонстрировали нейроморфные функции, включая лазеры с вертикальным излучением, интегрированные фотонные модуляторы, оптоэлектронные системы на основе сверхпроводящих джозефсоновских переходов или системы на основе резонансных туннельных диодов.