用于人工神经网络的光子张量加速器制造技术

描述了用于矢量

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于人工神经网络的光子张量加速器
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请与2019年5月3日提交的，名称为“用于人工神经网络的光子张量加速器
””
的美国临时专利申请No.62/842,771(美国代理人檔号:UCF34129PROV)相关，并要求其优先权，该美国临时专利申请被转让予本案申请人，其中的全部内容通过引用并入本文。

技术介绍

[0003]本申请总体上涉及光学计算，更具体地涉及用于矢量
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矢量、矩阵
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矢量、矩阵
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矩阵、批(batch)矩阵
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矩阵和张量
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张量乘法的光子加速。
[0004]本申请包括在括号中用数字表示的参考文献，例如[x]，其中x是数字。参考文献的数字列表可在本申请的末尾找到。此外，这些参考文献在与本案一起提交的信息公开声明(IDS)中列出。这些列出的参考文献中的每一个的教导的全部内容通过引用并入本文。
[0005]到目前为止，电子学和光子学大体上已经在信息化社会中发挥了各自的技术作用。由于电子的费米子性质，电子技术已经主导了信息生成和处理技术。类似地，由于光子的玻色子性质，即使在激光和光纤专利技术之前电子技术也主导了通信技术，但近几十年来，光子技术仍主导着信息传输技术。如长久以来所预期的，根据摩尔定律，电子集成电路(IC)的处理能力迟早将无法增长。这种预期激发了光学和光子学界在过去的半个世纪中不断地探索光学和光子信息处理的问题。这些努力包括用于通用光学计算的光学晶体管[1]、[2]和逻辑门[3]、[4]，以及用于专用信息处理的傅里叶光学[5]。然而，到了1980年代末，光学技术在计算中的职能被过誉的错误已经使该领域倒退了好几次，并在随后的二十年中使该领域几乎处于休眠状态[6]。
[0006]近年来，IC确实地根据摩尔定律不能维持几何级数的增长，这主要是因为与增加时钟速率所需的小器件相关的高密度功耗的热量难以消散。因此，IC在计算能力方面的扩缩性的限制因素不是总功率而是功率密度。在后摩尔定律时代，行内对扩缩性问题的解决方案是，与单个CPU的冯诺依曼结构相比，构建具有并行计算结构和用于特定计算目的的优化本地存储器的硬件加速器[7]、[8]，例如图形处理单元(GPU)和张量处理单元(TPU)。受益于这些硬件加速器，基于使用人工神经网络(ANN)实现的人工智能(AI)/机器学习(ML)的新应用在学术界、工业和一般社会上的几乎每个角落都激增，尽管原始IC的处理能力仍然停滞。

技术实现思路

[0007]本专利技术是一种用于矢量
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矢量乘法、矩阵
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矢量乘法、矩阵
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矩阵乘法、批矩阵
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矩阵乘法和张量
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张量乘法的光子单元。在矢量
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矢量相乘的情况下，光子设备包括第一光多路复用器，其接收代表第一矢量的第一光信号，其中，第一矢量中的每个元素在光的第一自由度(DOF)/维度上被编码，并且在一个乘法周期中是非时间的，以产生第一多路复用光信号。光子单元包括第二光多路复用器，其接收与第一光信号相干(coherent)的第二光信号，第二光信号表示第二矢量，其中第二矢量中的每个元素，以与映射为第一矢量相同的光映射
的元素
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正交自由度(DOF)/维度被编码，以产生第二多路复用光信号。光子单元还包括光束组合器，其接收来自第一光多路复用器的第一多路复用光信号和来自第二光多路复用器的第二多路复用光信号，以便将它们组合以在第一光信号和第二光信号之间产生干涉，该干涉包含第一矢量和第二矢量在总干涉强度中的相乘结果。这种累加不需要整个DOF，而是需要DOF中尚未用于编码的特定点或参数。
[0008]在具有M
×
1矢量乘法的N
×
M矩阵的情况下，光子单元包括第一光多路复用器，其接收至少第一光信号，该第一光信号表示具有M个元素的至少一个M
×
1矢量，其中M
×
1矢量中的每个元素在光的第一正交自由度(DOF)/维度上被编码，并且在一个乘法周期中是非时间的，以产生第一多路复用光信号，并且其中M是大于或等于1的正整数。光子单元包括光学复制器，其用于将表示M
×
1矢量的至少第一光信号复制为在光第二正交自由度(DOF)/维度上的N个附加光信号中的N个副本，其中N是大于或等于1的正整数。光子单元还包括N个光多路复用器，在光的第二正交自由度(DOF)/维度中，其与光学复制器相同，每个光多路复用器接收M个附加光信号，其中M个附加光信号中的每一个与第一光信号相干(coherent)，N个附加光信号中的每一个表示M
×
N矩阵的一独立行，其中，M
×
N矩阵的行中的每个元素，以与映射为表示M
×
1矢量的第一光信号相同的光映射的元素
‑
正交自由度(DOF)/维度被编码，以产生N个附加多路复用光信号。光子单元还包括至少一个光束组合器，其接收来自第一光多路复用器的第一多路复用光信号和来自N个光多路复用器的N个附加多路复用光信号的N个副本，以便将它们组合以在第一光信号和N个附加光信号中的每一个之间产生N次干涉，N次干涉包含M
×
N矩阵和M
×
1矢量在N个总干涉强度中的相乘结果。
[0009]在具有M
×
W矩阵乘法的N
×
M矩阵的情况下，光子单元包括在光的第一正交自由度(DOF)/维度中的第一组N个光多路复用器，其接收N个光信号，其中N个光信号中的每一个表示N
×
M矩阵具有M个元素的一独立行，其中，N
×
M矩阵的每个独立行中的每个元素在光的第二正交自由度(DOF)/维度上被编码，并且在一个乘法周期中是非时间的，以产生N个多路复用光信号，并且其中，M和N各自是大于或等于1的正整数。光子单元包括第一光学复制器，用于将表示N
×
M矩阵的多个独立行的N个多路复用光信号中的每一个复制为光的第三正交自由度(DOF)/维度中的W个副本，其中W是大于或等于1的正整数。光子单元还包括在光的第三正交自由度(DOF)/维度中的第二组W个光多路复用器，其与接收W个附加光信号的第一光学复制器相同，其中W个附加光信号中的每一个与N个光信号相干(coherent)，W个附加光信号中的每一个表示M
×
W矩阵的具有M个元素的一独立列，其中，M
×
W矩阵的每个独立列中的每个元素，以与映射为N
×
M矩阵的每个独立行中的每个元素相同的光映射的元素
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正交自由度(DOF)/维度被编码，以产生W个附加的多路复用光信号。光子单元包括第二光学复制器，用于将表示M
×
W矩阵的独立列的W个多路复用信号中的每一个复制为光的第一正交自由度(DOF)/维度中的N个副本，其与第一组N个光多路复用器相本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于矢量乘法的光子单元，包括：第一光多路复用器，其接收代表第一矢量的第一光信号，其中，第一矢量中的每个元素在光的第一自由度(DOF)/维度上被编码，并且在一个乘法周期中是非时间的，以产生第一多路复用光信号；第二光多路复用器，其接收与第一光信号相干的第二光信号，第二光信号表示第二矢量，其中第二矢量中的每个元素，以与映射为第一矢量相同的光映射的元素
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正交自由度(DOF)/维度被编码，以产生第二多路复用光信号；以及光束组合器，其接收来自第一光多路复用器的第一多路复用光信号和来自第二光多路复用器的第二多路复用光信号，以便将第一多路复用光信号和第二多路复用光信号组合，以在第一光信号和第二光信号之间产生干涉，该干涉包含第一矢量和第二矢量在总干涉强度中的相乘结果。2.根据权利要求1所述的光子单元，其中，用于对其进行编码的光的第一自由度(DOF)/维度是波长、空间模式、偏振、正交和波矢量的分量中的至少一个。3.根据权利要求1所述的光子单元，其中用于编码的光的第一自由度(DOF)/维度是由光的两个或更多个自由度(DOF)/维度的组合组成的超维度。4.根据权利要求2所述的光子单元，其中所述空间模式是以下中的至少一个：厄米
‑
高斯模式，拉盖尔
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高斯模式，或形成空间正交基的离散空间样本。5.根据权利要求2所述的光子单元，其中所述干涉的信号进入一非线性光学元件。6.根据权利要求2所述的光子单元，其中，所述总干涉强度被转换为电信号。7.根据权利要求6所述的光子单元，其中所述电信号进入一非线性电子元件。8.一种具有M
×
1矢量乘法的N
×
M矩阵的光子单元，包括：第一光多路复用器，其接收至少第一光信号，该第一光信号表示具有M个元素的至少一个M
×
1矢量，其中M
×
1矢量中的每个元素在光的第一正交自由度(DOF)/维度上被编码，并且在一个乘法周期中是非时间的，以产生第一多路复用光信号，并且其中M是大于或等于1的正整数；光学复制器，其用于将表示M
×
1矢量的所述至少第一光信号复制为在光的第二正交自由度(DOF)/维度上的N个附加光信号中的N个副本，其中N是大于或等于1的正整数；N个光多路复用器，在光的第二正交自由度(DOF)/维度中，其与光学复制器相同，每个光多路复用器接收M个附加光信号，其中M个附加光信号中的每一个与第一光信号相干，N个附加光信号中的每一个表示M
×
N矩阵的一独立行，其中，M
×
N矩阵的行中的每个元素，以与映射为表示M
×
1矢量的第一光信号相同的光映射的元素
‑
正交自由度(DOF)/维度被编码，以产生N个附加多路复用光信号；以及至少一个光束组合器，其接收来自第一光多路复用器的第一多路复用光信号和来自N个光多路复用器的N个附加多路复用光信号的N个副本，以便将其组合，以在第一光信号和N个附加光信号中的每一个之间产生N次干涉，N次干涉包含M
×
N矩阵和M
×
1矢量在N个总干涉强度中的相乘结果。9.根据权利要求8所述的光子单元，其中，用于编码或复制的光的第一和第二正交自由
度(DOF)/维度中的至少一个是波长、空间模式、偏振、正交和波矢量的分量中的至少一个。10.根据权利要求8所述的光子单元，其中用于编码或复制的光的第一和第二正交自由度(DOF)/维度中的至少一个是由两个或更多个光的自由度(DOF)/维度的组合组成的超维度。11.根据权利要求8所述的光子单元，其中用于编码或复制的光的第一和第二正交自由度(DOF)/维度是光的维度或超维度的非重叠子集。12.根据权利要求8所述的光子单元，其中所述空间模式是以下中的至少一个：厄米
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高斯模式，拉盖尔
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高斯模式，或形成空间正交基的离散空间样本。13.根据权利要求8所述的光子单元，其中至少一个干涉的信号进入一非线性光学元件。14.根据权利要求8所述的光子单元，其中至少一个总干涉强度被转换成电信号。15.根据权利要求14所述的光子单元，其中所述电信号进入一非线性电子元件。16.一种用于具有M
×
W矩阵乘法的N
×
M矩阵的光子单元，包括：光的第一正交自由度(DOF)/维度中的第一组N个光多路复用器，其接收N个光信号，其中N个光信号中的每一个表示N
×
M矩阵中具有M个元素的一独立行，其中，N
×
M矩阵的每个独立行中的每个元素在光的第二正交自由度(DOF)/维度上被编码，并且在一个乘法周期中是非时间的，以产生N个多路复用光信号，并且其中，M和N各自是大于或等于1的正整数；第一光学复制器，用于将表示N
×
M矩阵的多个独立行的N个多路复用光信号中的每一个复制为光的第三正交自由度(DOF)/维度中的W个副本，其中W是大于或等于1的正整数；在光的第三正交自由度(DOF)/维度中的第二组W个光多路复用器，其与接收W个附加光信号的第一光学复制器相同，其中W个附加光信号中的每一个与N个光信号相干，W个附加光信号中的每一个表示M
×
W矩阵中具有M个元素的一独立列，其中，M
×
W矩阵的每个独立列中的每个元素，以与映射为N
×
M矩阵的每个独立行中的每个元素相同的光映射的元素
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正交自由度(DOF)/维度被编码，以产生W个附加的多路复用光信号；第二光学复制器，用于将表示M
×
W矩阵的独立列的W个多路复用信号中的每一个复制为光的第一正交自由度(DOF)/维度中的N个副本，其与第一组N个光多路复用器相同；以及至少一个光束组合器，其接收两组N
×
W多路复用光信号，所述两组N
×
W多路复用光信号表示N
×
M矩阵和M
×
W矩阵中的每一个的适当复制的行或列，以便将之组合，以在N
×
M矩阵的每一行与M
×
W矩阵的列之间产生N
×
W次干涉，其中包含N
×
W总干涉强度的相乘结果。17.根据权利要求16所述的光子单元，其中，用于编码或复制的光的第一、第二、第三和第四正交自由度(DOF)/维度中的至少一个是波长、空间模式、偏振、正交和波矢量的分量中的至少一个。18.根据权利要求16所述的光子单元，其中，用于编码或复制的光的第一正交自由度(DOF)/维度、第二正交自由度(DOF)/维度和第三正交自由度(DOF)/维度中的至少一个是由两个或更多个光的自由度(DOF)/维度的组合组成的超维度。19.根据权利要求16所述的光子单元，其中用于编码或复制的光的第一、第二和第三正交自由度(DOF)/维度中的至少两个是光的维度或超维度的非重叠子集。
20.根据权利要求16所述的光子单元，其中所述空间...

【专利技术属性】
技术研发人员：桂芳，
申请(专利权)人：中佛罗里达大学研究基金会，
类型：发明
国别省市：