Electrically programmable phase-change photonic memory for optical neural networks with nanoseconds in situ training capability
Creators
- 1. Zhejiang University
- 2. Westlake University
- 3. Institute of Microelectronics
- 4. Chinese Academy of Sciences
- 5. Peking University
Description
Optical neural networks (ONNs), enabling low latency and high parallel data processing without electromagnetic interference, have become a viable player for fast and energy-efficient processing and calculation to meet the increasing demand for hash rate. Photonic memories employing nonvolatile phase-change materials could achieve zero static power consumption, low thermal cross talk, large-scale, and high-energy-efficient photonic neural networks. Nevertheless, the switching speed and dynamic energy consumption of phase-change material-based photonic memories make them inapplicable for in situ training. Here, by integrating a patch of phase change thin film with a PIN-diode-embedded microring resonator, a bifunctional photonic memory enabling both 5-bit storage and nanoseconds volatile modulation was demonstrated. For the first time, a concept is presented for electrically programmable phase-change material-driven photonic memory integrated with nanosecond modulation to allow fast in situ training and zero static power consumption data processing in ONNs. ONNs with an optical convolution kernel constructed by our photonic memory theoretically achieved an accuracy of predictions higher than 95% when tested by the MNIST handwritten digit database. This provides a feasible solution to constructing large-scale nonvolatile ONNs with high-speed in situ training capability.
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
أصبحت الشبكات العصبية البصرية (ONNs)، التي تتيح الكمون المنخفض ومعالجة البيانات المتوازية العالية دون تداخل كهرومغناطيسي، لاعباً قابلاً للتطبيق للمعالجة والحساب السريع والموفر للطاقة لتلبية الطلب المتزايد على معدل التجزئة. يمكن للذكريات الضوئية التي تستخدم مواد تغيير الطور غير المتطايرة أن تحقق استهلاكًا صفريًا ثابتًا للطاقة، وحديثًا حراريًا منخفضًا، وشبكات عصبية ضوئية واسعة النطاق وعالية الكفاءة في استخدام الطاقة. ومع ذلك، فإن سرعة التبديل واستهلاك الطاقة الديناميكي للذكريات الضوئية القائمة على مواد تغيير الطور يجعلها غير قابلة للتطبيق للتدريب في الموقع. هنا، من خلال دمج رقعة من الغشاء الرقيق لتغيير الطور مع مرنان ميكروي مدمج في الصمام الثنائي PIN، تم توضيح ذاكرة فوتونية ثنائية الوظائف تمكن كل من التخزين 5 بت وتعديل متطاير النانو ثانية. لأول مرة، يتم تقديم مفهوم للذاكرة الضوئية التي تعمل بالطور والقابلة للبرمجة كهربائياً والمدمجة مع تعديل النانو ثانية للسماح بالتدريب السريع في الموقع ومعالجة بيانات استهلاك الطاقة الثابتة الصفرية في ONNs. حققت ONNs المزودة بنواة التفاف ضوئي تم إنشاؤها بواسطة ذاكرتنا الضوئية نظريًا دقة في التنبؤات أعلى من 95 ٪ عند اختبارها بواسطة قاعدة بيانات الأرقام المكتوبة بخط اليد MNIST. يوفر هذا حلاً عمليًا لبناء ONNs غير المتطايرة على نطاق واسع مع قدرة تدريب عالية السرعة في الموقع.Translated Description (French)
Les réseaux de neurones optiques (onn), permettant une faible latence et un traitement de données parallèle élevé sans interférence électromagnétique, sont devenus un acteur viable pour un traitement et un calcul rapides et économes en énergie afin de répondre à la demande croissante de taux de hachage. Les mémoires photoniques utilisant des matériaux à changement de phase non volatils pourraient atteindre une consommation d'énergie statique nulle, une faible diaphonie thermique, des réseaux de neurones photoniques à grande échelle et à haute efficacité énergétique. Néanmoins, la vitesse de commutation et la consommation d'énergie dynamique des mémoires photoniques à base de matériau à changement de phase les rendent inapplicables à l'entraînement in situ. Ici, en intégrant un patch de film mince à changement de phase avec un résonateur à microréflexion intégré à une diode pin, une mémoire photonique bifonctionnelle permettant à la fois un stockage de 5 bits et une modulation volatile en nanosecondes a été démontrée. Pour la première fois, un concept est présenté pour une mémoire photonique pilotée par un matériau à changement de phase électriquement programmable intégrée à une modulation nanoseconde pour permettre un entraînement rapide in situ et un traitement de données à consommation d'énergie statique nulle dans les onn. Les onn avec un noyau de convolution optique construit par notre mémoire photonique ont théoriquement atteint une précision de prédictions supérieure à 95% lorsqu'ils sont testés par la base de données de chiffres manuscrits MNIST. Cela fournit une solution réalisable pour construire des onn non volatiles à grande échelle avec une capacité de formation in situ à grande vitesse.Translated Description (Spanish)
Las redes neuronales ópticas (ONN), que permiten un procesamiento de datos en paralelo de baja latencia y alta sin interferencias electromagnéticas, se han convertido en un jugador viable para el procesamiento y el cálculo rápidos y energéticamente eficientes para satisfacer la creciente demanda de tasa de hash. Las memorias fotónicas que emplean materiales de cambio de fase no volátiles podrían lograr un consumo de energía estática cero, una baja diafonía térmica, redes neuronales fotónicas a gran escala y de alta eficiencia energética. Sin embargo, la velocidad de conmutación y el consumo dinámico de energía de las memorias fotónicas basadas en materiales de cambio de fase las hacen inaplicables para el entrenamiento in situ. Aquí, mediante la integración de un parche de película delgada de cambio de fase con un resonador microring integrado en diodo PIN, se demostró una memoria fotónica bifuncional que permite tanto el almacenamiento de 5 bits como la modulación volátil de nanosegundos. Por primera vez, se presenta un concepto de memoria fotónica de cambio de fase programable eléctricamente impulsada por material integrada con modulación de nanosegundos para permitir un entrenamiento rápido in situ y un procesamiento de datos de consumo de energía estático cero en ONN. Los ONN con un núcleo de convolución óptica construido por nuestra memoria fotónica alcanzaron teóricamente una precisión de predicciones superior al 95% cuando se probaron en la base de datos de dígitos manuscritos MNIST. Esto proporciona una solución factible para construir onn no volátiles a gran escala con capacidad de entrenamiento in situ de alta velocidad.Files
1.AP.5.4.046004.pdf.pdf
Files
(5.2 MB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:87a3344005cd50d2823b0c7c2dd61333
|
5.2 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- ذاكرة ضوئية قابلة للبرمجة كهربائياً لتغيير الطور للشبكات العصبية البصرية مع قدرة تدريب في الموقع تبلغ نانو ثانية
- Translated title (French)
- Mémoire photonique à changement de phase programmable électriquement pour réseaux neuronaux optiques avec capacité d'entraînement in situ de l'ordre de la nanoseconde
- Translated title (Spanish)
- Memoria fotónica de cambio de fase programable eléctricamente para redes neuronales ópticas con capacidad de entrenamiento in situ de nanosegundos
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W4384697390
- DOI
- 10.1117/1.ap.5.4.046004
References
- https://openalex.org/W1983461897
- https://openalex.org/W2007723009
- https://openalex.org/W2029131122
- https://openalex.org/W2042862454
- https://openalex.org/W2154694290
- https://openalex.org/W2260723393
- https://openalex.org/W2290091903
- https://openalex.org/W2333899245
- https://openalex.org/W2752849906
- https://openalex.org/W2758404936
- https://openalex.org/W2884123096
- https://openalex.org/W2905370602
- https://openalex.org/W2944119451
- https://openalex.org/W2962715917
- https://openalex.org/W2962883549
- https://openalex.org/W2969496500
- https://openalex.org/W2976834111
- https://openalex.org/W2986367605
- https://openalex.org/W3037905030
- https://openalex.org/W3090164293
- https://openalex.org/W3091851330
- https://openalex.org/W3103046660
- https://openalex.org/W3103956262
- https://openalex.org/W3106792675
- https://openalex.org/W3112182794
- https://openalex.org/W3118265437
- https://openalex.org/W3120165331
- https://openalex.org/W3120228857
- https://openalex.org/W3121141908
- https://openalex.org/W3128451613
- https://openalex.org/W3164174762
- https://openalex.org/W3164282918
- https://openalex.org/W3165876013
- https://openalex.org/W3176218951
- https://openalex.org/W3184609450
- https://openalex.org/W3188674373
- https://openalex.org/W3195997474
- https://openalex.org/W3200891745
- https://openalex.org/W3205615004
- https://openalex.org/W4210305137
- https://openalex.org/W4210955571
- https://openalex.org/W4223598101
- https://openalex.org/W4223939080
- https://openalex.org/W4224981323
- https://openalex.org/W4226239589
- https://openalex.org/W4226503132
- https://openalex.org/W4280617936
- https://openalex.org/W4281660482
- https://openalex.org/W4281845262
- https://openalex.org/W4283018083
- https://openalex.org/W4283270721
- https://openalex.org/W4283801664
- https://openalex.org/W4289785091
- https://openalex.org/W4293141353
- https://openalex.org/W4307248951
- https://openalex.org/W4313596643
- https://openalex.org/W4313814540
- https://openalex.org/W4367173722