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Characterization and Optimization of Coherent MZI-Based Nanophotonic Neural Networks Under Fabrication Non-Uniformity

计算机科学 绝缘体上的硅 硅光子学 人工神经网络 纳米光子学 光子学 光学工程 MNIST数据库 电子工程 人工智能 光学 物理 工程类 光电子学
作者
Asif Mirza,Amin Shafiee,Sanmitra Banerjee,Krishnendu Chakrabarty,Sudeep Pasricha,Mahdi Nikdast
出处
期刊:IEEE Transactions on Nanotechnology [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:21: 763-771 被引量:25
标识
DOI:10.1109/tnano.2022.3223915
摘要

Silicon-photonic neural networks (SPNNs) have emerged as promising successors to electronic artificial intelligence (AI) accelerators by offering orders of magnitude lower latency and higher energy efficiency. Nevertheless, the underlying silicon photonic devices in SPNNs are sensitive to inevitable fabrication-process variations (FPVs) stemming from optical lithography imperfections. Consequently, the inferencing accuracy in an SPNN can be highly impacted by FPVs -- e.g., can drop to below 10% -- the impact of which is yet to be fully studied. In this paper, we, for the first time, model and explore the impact of FPVs in the waveguide width and silicon-on-insulator (SOI) thickness in coherent SPNNs that use Mach-Zehnder Interferometers (MZIs). Leveraging such models, we propose a novel variation-aware, design-time optimization solution to improve MZI tolerance to different FPVs in SPNNs. Simulation results for two example SPNNs of different scales under realistic and correlated FPVs indicate that the optimized MZIs can improve the inferencing accuracy by up to 93.95% for the MNIST handwritten digit dataset -- considered as an example in this paper -- which corresponds to a <0.5% accuracy loss compared to the variation-free case. The proposed one-time optimization method imposes low area overhead, and hence is applicable even to resource-constrained designs
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