一种用于片上全光推理的新型大规模光子计算阵列及方法与流程

本发明涉及光子计算，具体地，本发明涉及一种用于片上全光推理的新型大规模光子计算阵列及方法。

背景技术：

1、光子计算结构具有高速、并行等特性，在处理线性计算上有突出的优势，成为当前国际研究的一个热点。人们采用光波导微纳结构、微透镜阵列等新型光学材料搭建光子计算芯片，应用到不同场景中。

2、例如，专利申请cn117148496a公开了大规模不同层光子计算阵列互连的光子计算芯片。其包括衬底和集成的光子计算阵列，光子计算阵列的每个不同层的输入行波导的输入侧均各通过模斑转换器与光分束器连接，每个不同层的输出列波导的输出侧均各通过模斑转换器与光合束器连接。

3、再例如，专利申请cn117234276a公开了用于片上大规模矩阵乘法运算的混合光子计算单元、计算方法及计算阵列，将基于载流子光吸收效应的电光调制器与基于相变材料的电光调制器集成在同一个光子计算单元中形成混合光子计算单元，来兼容不同的应用场景。

4、其中，与电子芯片比较，光子芯片具有独特的优势，例如超高传输速度、超高并行性、超高带宽与超低传输功耗等。

5、但是，随着人工智能、大数据时代的到来，对于光子芯片的高计算性能、小尺寸等需求越来越高。例如，由于要用于复杂的ai推理计算，这将导致计算阵列中的光器件数量成倍增多，如要达到不错的性能至少需要上万个光器件，这也会带来更复杂的结构和更大的尺寸。为了实现可编程，这将要求芯片具有更高集成度。

6、然而，上述要求也将对芯片生产工艺、工艺的整体稳定性以及生产良率均带来极高的挑战，同时也会导致生产成本非常高。

7、因此，当前亟需一种结构更简单、尺寸更小的计算阵列。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种用于片上全光推理的新型大规模光子计算阵列，部分地解决或缓解现有技术中的上述不足，能够缩减计算单元的尺寸，用于推理。

2、为了解决上述所提到的技术问题，本发明具体采用以下技术方案：

3、本发明的第一方面，在于提供一种用于片上全光推理的新型大规模光子计算阵列，包括：

4、n行输入行波导，以及与所述n行输入波导分别相交的m列输出列线路，所述n行输入行波导和所述m列输出列线路相交的处形成有n*m个计算单元，所述计算单元包括：光波导，以及沉积在所述光波导上的相变材料层，所述相变材料层具有预调制的特定状态，其中，所述特定状态下所述相变材料层中处于晶态的相变材料与处于非晶态的所述相变材料二者的比例为y；所述相变材料层上还沉积有保护层；其中，所述光波导的输入端与所述输入行波导通过第一光功率分配器件相连接，所述光波导的输出端与所述输出列线路通过第二光功率分配器件或光电转换器件相连通；

5、以及电光调制器，所述电光调制器用于将输入电信号加载至对应的所述输入行波导的光信号中。

6、在一些实施例中，还包括：与光子计算阵列相连接的相变材料监测模块，所述相变材料监测模块包括：

7、预算单元，用于在第二工作时间内采用预设的特定矩阵乘法利用所述n*m个计算单元进行至少一次计算；

8、第一输出矩阵单元，用于分别获取多个所述相变材料层在运行当前所述特定矩阵乘法时所输出的多个第一电流值，并根据所述多个第一电流值确定与所述特定矩阵乘法对应的第一输出矩阵；

9、第一差异值计算单元，用于采用损失函数分别计算至少一个第二输出矩阵与所述第一输出矩阵的至少一个第一差异值；其中，在所述相变材料层完成预调制之后的第一工作时间内，将采用所述特定矩阵乘法在所述n*m个计算单元完成至少一次计算，并根据当前输出的多个第二电流值确定与所述特定矩阵乘法相对应的所述第二输出矩阵；

10、决策单元，用于当至少一个第一差异值大于预设的第一阈值时，则向用户发出对应的第一提示信号。

11、在一些实施例中，当大于所述第一阈值的所述第一差异值的数量小于或等于预设的第一数量时，则对所述计算阵列发出修正信号。

12、在一些实施例中，所述相变材料监测模块还包括：

13、修正单元，用于采用第一规则根据所述第一输出矩阵c和所述第二输出矩阵g计算得到用于修正的参数矩阵w，其中，所述第一规则要求：第二输出矩阵g =第一输出矩阵c*参数矩阵w；根据所述参数矩阵w形成修正信号，所述修正信号包括：对应至少一个所述计算单元的输出电流进行修正的修正值。

14、在一些实施例中，所述相变材料监测模块包括：

15、验算单元，用于在第三工作时间内采用所述特定矩阵乘法利用所述n*m个计算单元进行至少一次计算；

16、第三输出矩阵单元，用于分别获取多个所述相变材料层在运行当前所述特定矩阵乘法时所输出的多个第三电流值，并根据所述多个第三电流值确定第三输出矩阵；

17、第二差异值计算单元，用于采用损失函数分别计算所述第二输出矩阵与所述第三输出矩阵的至少一个第二差异值；

18、验证单元，用于当至少一个第二差异值大于预设的第二阈值时，则向用户发出对应的第二提示信号。

19、在一些实施例中，当大于所述第一阈值的所述第一差异值的数量大于预设的第一数量时，则向所述计算阵列发出建议停止信号。

20、在一些实施例中，所述损失函数包括以下一种或多种：

21、绝对误差损失函数、平方损失函数、交叉熵损失函数以及由有理函数和/或初等函数组合而成的损失函数。

22、在一些实施例中，所述保护层的厚度为1-2μm；

23、在一些实施例中，所述保护层为氧化硅层。

24、在一些实施例中，还包括：预调制模块，所述预调制模块包括多个预调制单元，且多个预调制单元分别与各个所述计算单元相连接；所述预调制单元被配置为用于向所述计算单元发送具有第五光脉冲功率和第五脉冲宽度的第五光脉冲信号p5，从而将所述相变材料层预调制至特定状态。

25、一种用于片上全光推理的新型大规模光子计算阵列计算方法，包括步骤：

26、s100提供光子计算阵列，其中，所述光子计算阵列包括：n*m个计算单元，所述计算单元包括：光波导，以及沉积在所述光波导上的相变材料层，所述相变材料层具有预调制的特定状态，其中，所述特定状态下所述相变材料层中处于晶态的相变材料与处于非晶态的所述相变材料二者的比例为y；

27、s101在第二工作时间内，采用预设的特定矩阵乘法利用所述n*m个计算单元进行至少一次计算；

28、s102分别获取多个所述相变材料层在运行当前所述特定矩阵乘法时所输出的多个第一电流值，并根据所述多个第一电流值确定与所述特定矩阵乘法对应的第一输出矩阵；

29、s103采用损失函数分别计算至少一个第二输出矩阵与所述第一输出矩阵的至少一个第一差异值；其中，在所述相变材料层完成预调制之后的第一工作时间内，将采用所述特定矩阵乘法在所述n*m个计算单元完成至少一次计算，并根据当前输出的多个第二电流值确定与所述特定矩阵乘法相对应的所述第二输出矩阵；

30、s104当至少一个第一差异值大于预设的第一阈值时，则向用户发出对应的提示信号。

31、有益技术效果：

32、与传统的利用电光调制器实时调节权重的计算阵列相比，本发明提出了一种截然相反的技术路线，即利用相变材料与预调制构思相配合，提出了一种对相变材料的状态进行限定的计算方法。因此，尤其是针对超低功耗、权重矩阵不会变化的应用场景，本发明所采用的预调制方案能够在显著降低成本（结构简单、制备工艺简单）的基础上，提升计算的准确性高。

33、并且，利用相变材料所具有的非易失性特点与预调制理念相结合，在这种低功耗且权重固定的特殊应用场景中，当计算阵列在运行时，仅需要采用局部微调（即对有限数量的相变材料层进行调节）即能够保证计算阵列的计算准确性。而这种仅需微量调节的技术方案能够有效缓解实时调节的压力，使得方案更容易实施。

34、其中，预调制方案能够适用于超低功耗，并且推理过程中其权重矩阵永远不会变化的应用场景。当模型已经稳定，需要大规模部署进行推理时则可以采用相变材料监测模块，如耳机、嵌入式等超低功耗设备或推理服务器集群等超大规模算力需求场景。