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Forward–forward training of an optical neural network

计算机科学 人工神经网络 反向传播 实施 计算机工程 人工智能 电子工程 工程类 程序设计语言
作者
İlker Oğuz,Junjie Ke,Qifei Weng,Feng Yang,Mustafa Yıldırım,Niyazi Ulaş Dinç,Jih-Liang Hsieh,Christophe Moser,Demetri Psaltis
出处
期刊:Optics Letters [The Optical Society]
卷期号:48 (20): 5249-5249 被引量:24
标识
DOI:10.1364/ol.496884
摘要

Neural networks (NNs) have demonstrated remarkable capabilities in various tasks, but their computation-intensive nature demands faster and more energy-efficient hardware implementations. Optics-based platforms, using technologies such as silicon photonics and spatial light modulators, offer promising avenues for achieving this goal. However, training multiple programmable layers together with these physical systems poses challenges, as they are difficult to fully characterize and describe with differentiable functions, hindering the use of error backpropagation algorithm. The recently introduced forward-forward algorithm (FFA) eliminates the need for perfect characterization of the physical learning system and shows promise for efficient training with large numbers of programmable parameters. The FFA does not require backpropagating an error signal to update the weights, rather the weights are updated by only sending information in one direction. The local loss function for each set of trainable weights enables low-power analog hardware implementations without resorting to metaheuristic algorithms or reinforcement learning. In this paper, we present an experiment utilizing multimode nonlinear wave propagation in an optical fiber demonstrating the feasibility of the FFA approach using an optical system. The results show that incorporating optical transforms in multilayer NN architectures trained with the FFA can lead to performance improvements, even with a relatively small number of trainable weights. The proposed method offers a new path to the challenge of training optical NNs and provides insights into leveraging physical transformations for enhancing the NN performance.

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