A Compact Butterfly-Style Silicon Photonic–Electronic Neural Chip for Hardware-Efficient Deep Learning

计算机科学 人工神经网络 深度学习 稳健性(进化) 能源消耗 光学计算 炸薯条 加法器 计算机硬件 计算机体系结构 人工智能 计算机工程 电子工程 延迟(音频) 电气工程 工程类 电信 基因 生物化学 化学
作者
Chenghao Feng,Jiaqi Gu,Hanqing Zhu,Zhoufeng Ying,Zheng Zhao,David Z. Pan,Ray T. Chen
出处
期刊:ACS Photonics [American Chemical Society]
卷期号:9 (12): 3906-3916 被引量:32
标识
DOI:10.1021/acsphotonics.2c01188
摘要

The optical neural network (ONN) is a promising hardware platform for next-generation neurocomputing due to its high parallelism, low latency, and low energy consumption. Previous ONN architectures are mainly designed for general matrix multiplication (GEMM), leading to unnecessarily large area cost and high control complexity. Here, we move beyond classical GEMM-based ONNs and propose an optical subspace neural network (OSNN) architecture, which trades the universality of weight representation for lower optical component usage, area cost, and energy consumption. We devise a butterfly-style photonic–electronic neural chip to implement our OSNN with up to 7× fewer trainable optical components compared to GEMM-based ONNs. Additionally, a hardware-aware training framework is provided to minimize the required device programming precision, lessen the chip area, and boost the noise robustness. We experimentally demonstrate the utility of our neural chip in practical image recognition tasks, showing that a measured accuracy of 94.16% can be achieved in handwritten digit recognition tasks with 3 bit weight programming precision.
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