本發(fā)明屬于光電芯片，尤其涉及基于波分復(fù)用和微環(huán)權(quán)重庫(kù)并行計(jì)算的光子計(jì)算芯片。

背景技術(shù)：

1、晶體管微縮已經(jīng)接近物理極限，摩爾定律呈現(xiàn)出放緩趨勢(shì)。而登納德縮放比例定律早在2004年左右已經(jīng)失效，此后實(shí)現(xiàn)芯片集成度的提升，所需的功耗和散熱要求越來(lái)越大，產(chǎn)生了“功耗墻”問(wèn)題。另外，更先進(jìn)工藝制程的流片和設(shè)計(jì)費(fèi)用也越來(lái)越高，進(jìn)而又產(chǎn)生了“成本墻”問(wèn)題。傳統(tǒng)的單芯片算力提升路徑難以為繼。

2、光電混合芯片在物理層面包括光芯片和電芯片，兩塊芯片由3d倒裝堆疊的方式封裝在一起；在功能層面主要包括信號(hào)輸入、信號(hào)處理和信號(hào)輸出三大部分。光信號(hào)在進(jìn)入光芯片后，輸入向量被光學(xué)調(diào)制器轉(zhuǎn)化為多個(gè)光信號(hào)，這些光信號(hào)在經(jīng)過(guò)可編程的光學(xué)矩陣后，輸出的光信號(hào)陣列即矩陣運(yùn)算的結(jié)果。在混合芯片中所有的光器件都集成在一塊光芯片上，而光芯片的控制電路和內(nèi)存都部署在電芯片上。但是光電混合芯片的算力發(fā)展較慢，集成度和可拓展度不足。為此提出基于波分復(fù)用和微環(huán)權(quán)重庫(kù)并行計(jì)算的光子計(jì)算芯片。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供基于波分復(fù)用和微環(huán)權(quán)重庫(kù)并行計(jì)算的光子計(jì)算芯片，旨在解決上述背景技術(shù)中提出的問(wèn)題。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

3、基于波分復(fù)用和微環(huán)權(quán)重庫(kù)并行計(jì)算的光子計(jì)算芯片，包括：

4、濾波層與數(shù)據(jù)加載層：將不同波長(zhǎng)的光按照既定設(shè)計(jì)分別進(jìn)行輸出，并將不同波長(zhǎng)的光通過(guò)不同波導(dǎo)輸出；

5、權(quán)重加載層：利用微環(huán)權(quán)重庫(kù)對(duì)波長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)制，并通過(guò)改變微環(huán)的有效折射率的方式來(lái)加載權(quán)重；

6、數(shù)據(jù)輸出層：在芯片后接入平衡光電探測(cè)器，通過(guò)平衡光電探測(cè)器對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行濾波，將噪聲信號(hào)去除，優(yōu)化輸出波形。

7、進(jìn)一步的，所述濾波層與數(shù)據(jù)加載層采用mzi濾波結(jié)構(gòu)，在濾波的過(guò)程中將數(shù)據(jù)進(jìn)行寫(xiě)入，輸出已經(jīng)數(shù)據(jù)賦型完成的不同頻率的波長(zhǎng)。

8、進(jìn)一步的，所述濾波層與數(shù)據(jù)加載層由七個(gè)mzi組成，共輸入八個(gè)波長(zhǎng)的光，按照波長(zhǎng)從小到大分別為λ1、λ2、λ3、λ4，λ5、λ6、λ7、λ8，第一級(jí)和第二級(jí)mzi進(jìn)行初步分波操作，第三級(jí)mzi進(jìn)行細(xì)致分波與數(shù)據(jù)載入操作，λ1和λ5從第三級(jí)編號(hào)1的mzi輸出，λ7和λ3從第三級(jí)編號(hào)2的mzi輸出，λ2和λ6從第三級(jí)編號(hào)3的mzi輸出，λ4和λ8從第三級(jí)編號(hào)4的mzi輸出，mzi通過(guò)相位調(diào)制的方式將數(shù)據(jù)值[x1,x2,x3,x4,x5,x6,x7,x8]分別按照[λ1,λ2,λ3,λ4,λ5,λ6,λ7,λ8]順序進(jìn)行寫(xiě)入。

9、進(jìn)一步的，所述mzi采用相位調(diào)制器的方式來(lái)調(diào)整光程差，實(shí)現(xiàn)濾光與數(shù)據(jù)載入，光程差的計(jì)算方式如下：

10、式1：δl＝δlf+δls；

11、其中δl為光程差；δlf為基線(xiàn)長(zhǎng)度差；δls為不同級(jí)數(shù)mzi長(zhǎng)度改變差。

12、進(jìn)一步的，所述權(quán)重加載層由八個(gè)微環(huán)組成，分為兩組，每組四個(gè)微環(huán)，兩組微環(huán)權(quán)重庫(kù)對(duì)稱(chēng)排布于mzm兩側(cè)。

13、進(jìn)一步的，所述權(quán)重加載層的工作過(guò)程如下：

14、設(shè)定k1、k2和t1、t2分別為兩個(gè)耦合區(qū)的振幅耦合比和振幅透射比，當(dāng)進(jìn)行卷積計(jì)算時(shí)，進(jìn)行權(quán)重加載；drop端口的光強(qiáng)公式為：

15、

16、其中ed為drop端口光強(qiáng)；xi為數(shù)據(jù)值；wi為權(quán)重值；

17、對(duì)式1進(jìn)行簡(jiǎn)化，得到：

18、式3：

19、其中γ為直波導(dǎo)傳輸損耗；i為復(fù)數(shù)；φ為用于計(jì)算微環(huán)損耗；λ為波長(zhǎng)；ein為輸入光強(qiáng)；

20、其中neff為有效折射率；r為微環(huán)半徑；得出單個(gè)微環(huán)的權(quán)重w為：

21、

22、通過(guò)式2～4求解微環(huán)的有效折射率，計(jì)算微環(huán)得出所述有效折射率所需的電壓區(qū)間，通過(guò)調(diào)節(jié)電壓來(lái)改變權(quán)重?cái)?shù)值大小。

23、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

24、本發(fā)明融合了微環(huán)權(quán)重庫(kù)理論與波分復(fù)用技術(shù)，設(shè)計(jì)出一種光子計(jì)算芯片，通過(guò)結(jié)合波分復(fù)用的并行性，能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模的矩陣運(yùn)算和卷積操作，加速計(jì)算過(guò)程。

技術(shù)特征：

1.基于波分復(fù)用和微環(huán)權(quán)重庫(kù)并行計(jì)算的光子計(jì)算芯片，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于波分復(fù)用和微環(huán)權(quán)重庫(kù)的光子計(jì)算芯片并行計(jì)算方法，其特征在于，所述濾波層與數(shù)據(jù)加載層采用mzi濾波結(jié)構(gòu)，在濾波的過(guò)程中將數(shù)據(jù)進(jìn)行寫(xiě)入，輸出已經(jīng)數(shù)據(jù)賦型完成的不同頻率的波長(zhǎng)。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于波分復(fù)用和微環(huán)權(quán)重庫(kù)的光子計(jì)算芯片并行計(jì)算方法，其特征在于，所述濾波層與數(shù)據(jù)加載層由七個(gè)mzi組成，共輸入八個(gè)波長(zhǎng)的光，按照波長(zhǎng)從小到大分別為λ1、λ2、λ3、λ4，λ5、λ6、λ7、λ8，第一級(jí)和第二級(jí)mzi進(jìn)行初步分波操作，第三級(jí)mzi進(jìn)行細(xì)致分波與數(shù)據(jù)載入操作，λ1和λ5從第三級(jí)編號(hào)1的mzi輸出，λ7和λ3從第三級(jí)編號(hào)2的mzi輸出，λ2和λ6從第三級(jí)編號(hào)3的mzi輸出，λ4和λ8從第三級(jí)編號(hào)4的mzi輸出，mzi通過(guò)相位調(diào)制的方式將數(shù)據(jù)值[x1,x2,x3,x4,x5,x6,x7,x8]分別按照[λ1,λ2,λ3,λ4,λ5,λ6,λ7,λ8]順序進(jìn)行寫(xiě)入。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于波分復(fù)用和微環(huán)權(quán)重庫(kù)的光子計(jì)算芯片并行計(jì)算方法，其特征在于，所述mzi采用相位調(diào)制器的方式來(lái)調(diào)整光程差，實(shí)現(xiàn)濾光與數(shù)據(jù)載入，光程差的計(jì)算方式如下：

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于波分復(fù)用和微環(huán)權(quán)重庫(kù)的光子計(jì)算芯片并行計(jì)算方法，其特征在于，所述權(quán)重加載層由八個(gè)微環(huán)組成，分為兩組，每組四個(gè)微環(huán)，兩組微環(huán)權(quán)重庫(kù)對(duì)稱(chēng)排布于mzm兩側(cè)。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于波分復(fù)用和微環(huán)權(quán)重庫(kù)的光子計(jì)算芯片并行計(jì)算方法，其特征在于，所述權(quán)重加載層的工作過(guò)程如下：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明適用于光電芯片技術(shù)領(lǐng)域，提供了基于波分復(fù)用和微環(huán)權(quán)重庫(kù)并行計(jì)算的光子計(jì)算芯片，包括：濾波層與數(shù)據(jù)加載層：將不同波長(zhǎng)的光按照既定設(shè)計(jì)分別進(jìn)行輸出，并將不同波長(zhǎng)的光通過(guò)不同波導(dǎo)輸出，濾波層與數(shù)據(jù)加載層采用MZI濾波結(jié)構(gòu)，MZI采用相位調(diào)制器的方式來(lái)調(diào)整光程差；權(quán)重加載層：利用微環(huán)權(quán)重庫(kù)對(duì)波長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)制，并通過(guò)改變微環(huán)的有效折射率的方式來(lái)加載權(quán)重；數(shù)據(jù)輸出層：在芯片后接入平衡光電探測(cè)器，通過(guò)平衡光電探測(cè)器對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行濾波，將噪聲信號(hào)去除，優(yōu)化輸出波形。本發(fā)明融合了微環(huán)權(quán)重庫(kù)理論與波分復(fù)用技術(shù)，設(shè)計(jì)出一種光子計(jì)算芯片，通過(guò)結(jié)合波分復(fù)用的并行性，能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模的矩陣運(yùn)算和卷積操作，加速計(jì)算過(guò)程。

技術(shù)研發(fā)人員：張旺,崔玉銳
受保護(hù)的技術(shù)使用者：吉林大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19