上圖所示為美國國家標準技術研究所新研製的芯片，在芯片上能夠精確分配光信號，展示了一種潛在的神經網絡設計。三維結構使複雜的路由方案，這是模仿大腦功能必要的技術。光可以比電信號傳播得更遠和更快。圖片來源：美國國家標準技術研究所。
美國國家標準與技術研究所（NIST）的研究人員已經制造出一種硅芯片，它可以精確地分佈在一個類似腦的微型網格上，展示了一種潛在的神經網絡設計方案。
人腦有數十億個神經元（神經細胞），每個神經元與其他神經元有數千個連接。許多計算研究項目的目的是通過創建人工神經網絡的電路來模擬大腦。但是傳統的電子電路，包括半導體電路的電氣佈線，常常阻礙有用的神經網絡所需的極其複雜的路由。
美國國家標準技術研究所小組建議使用光而不是電作為信號媒介。神經網絡已經解決了複雜的問題，包括快速模式識別和數據分析。光的使用會消除由於電荷而產生的干擾，信號會更快、更遠地傳播。
美國國家標準技術研究所的物理學家Jeff Chiles說：“光的優勢可以改善神經網絡對科學數據分析的性能，例如搜索地球類行星和量子信息科學，並加速自主車輛的高度直觀的控制系統的發展。”
傳統的計算機通過算法或人類編碼規則處理信息。相比之下，神經網絡依賴於處理元件或神經元之間的連接網絡，其可以被訓練來識別特定的刺激模式。神經或神經形態計算機將由一個龐大複雜的神經網絡系統組成。
在一篇新論文中，美國國家標準技術研究所芯片克服了通過垂直堆疊兩層光子波導結構對光信號的使用的一個主要挑戰，該結構將光限制在窄線中以路由光信號，就像電線路由電信號一樣。這種三維（3-D）設計實現了複雜的路由方案，這是模仿神經系統所必需的。此外，這種設計可以容易地擴展到在需要更復雜的網絡時併入附加波導層。
堆疊波導形成10個輸入或“上游”神經元的三維網格，每個神經元連接到10個輸出或“下游”神經元，總共有100個接收器。在硅晶片上製作，波導由氮化硅製成，每800納米寬（nm）和400納米厚。研究人員創建了自動生成信號路由的軟件，神經元之間具有可調的連接性水平。
激光通過光纖被引導到芯片中。目標是將每個輸入路由到每一個輸出組，按照所選擇的光強度或功率分佈模式。功率電平表示電路中的連通性的模式和程度。作者展示了兩種控制輸出強度的方案：均勻（每個輸出接收相同的功率）和“鐘形曲線”分佈（其中中間神經元接收最大功率，而周圍神經元接收較少）。
為了評估結果，研究人員製作了輸出信號的圖像。所有信號通過顯微鏡透鏡聚焦到半導體傳感器上並被處理成圖像幀。該方法允許多種設備同時進行高精度的分析。輸出高度均勻，誤差率低，證實了精確的功率分佈。
“我們在這裡確實做了兩件事，”Chiles說。“我們已經開始使用第三維來實現更多的光學連通性，並且我們已經開發出一種新的測量技術來快速表徵光子系統中的許多器件。這兩個進步是至關重要的，因為我們開始擴大到大規模的光電子神經系統中。”
來源：https://phys.org/news/2018-07-chip-optical-neural-network-demo.html
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