Control-free and efficient integrated photonic neural networks via hardware-aware training and pruning

计算机科学 人工神经网络 高效能源利用 能源消耗 计算机硬件 电子工程 嵌入式系统 人工智能 工程类 电气工程
作者
Tengji Xu,Weipeng Zhang,Jiawei Zhang,Zeyu Luo,Qiarong Xiao,Benshan Wang,Ming‐Cheng Luo,Xingyuan Xu,Bhavin J. Shastri,Paul R. Prucnal,Chaoran Huang
出处
期刊:Optica [Optica Publishing Group]
卷期号:11 (8): 1039-1039 被引量:8
标识
DOI:10.1364/optica.523225
摘要

Integrated photonic neural networks (PNNs) are at the forefront of AI computing, leveraging light’s unique properties, such as large bandwidth, low latency, and potentially low power consumption. Nevertheless, the integrated optical components are inherently sensitive to external disturbances, thermal interference, and various device imperfections, which detrimentally affect computing accuracy and reliability. Conventional solutions use complicated control methods to stabilize optical devices and chip, which result in high hardware complexity and are impractical for large-scale PNNs. To address this, we propose a training approach to enable control-free, accurate, and energy-efficient photonic computing without adding hardware complexity. The core idea is to train the parameters of a physical neural network towards its noise-robust and energy-efficient region. Our method is validated on different integrated PNN architectures and is applicable to solve various device imperfections in thermally tuned PNNs and PNNs based on phase change materials. A notable 4-bit improvement is achieved in micro-ring resonator-based PNNs without needing complex device control or power-hungry temperature stabilization circuits. Additionally, our approach reduces the energy consumption by tenfold. This advancement represents a significant step towards the practical, energy-efficient, and noise-resilient implementation of large-scale integrated PNNs.
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