集成光子芯片Micro-comb原理

研究团队利用硅基micro-comb芯片实现了64G波特率、11TOPS计算速率的高速图像识别,展示了光子神经网络的巨大潜力。文章讨论了光子相较于电子的优势与局限性,介绍了实现算法的数学要求,并详细解释了Micro-comb的工作原理。

2021年1月6号,一篇名为《11 TOPS photonic convolutional accelerator for optical neural networks》的论文发表在nature上。这一由徐兴元博士(莫纳什大学)、谭朦曦博士、David Moss教授(斯文本科技大学)等人完成的实验向世人宣告了一个激动人心的成果:由硅基micro-comb芯片搭建的光学神经网络(Optical neural network, ONN)实现了64G波特速率、11TOPS计算速率的高速图像识别。这证明了光子神经网络硬件的运算潜力,并预示着单片集成光电芯片的到来。

光子相较电子的优势与劣势

电子器件在物理特性和结构特性上正面临着严重的挑战。籍由电子器件的尺寸已经直逼其热力学极限,靠纳米技术进步维持的摩尔定律已经到了难以维系的地步。电子作为最经典的费米子,受到泡利不相容原理的影响,无法在量子轨道上并行存在,换言之,费米子太笨重了,不适合做为高密度信息传递的载体。人们依靠电流大小、电压大小这些电子的广延量实现信息传递,而很少关注电子作为一种德布罗意波的频域信息(强度量信息),电子器件的性能提升因此也体现在对电子数目和电子速度这两个量的优化上。而光子作为一种玻色子完美的补充了上述电子的诸多缺点。玻色子可以在量子尺度上同时存在,人们对光子的研究也不会局限于对其光强这一广延量的研究,而是会将目光对准频率-光强-时间这三维物理量交织下进行的信息传递。换言之,光子作为信息载体在被人们使用的时候,能传递的信息比电子能传递的信息高一个维度。

然而,现代成熟的光纤业务都是基于可见光乃至红外、外红外波段电磁波进行的,意即其波长尺度在亚微米级别。这一现状限制了对光子的进一步集成,过大的波长尺度使得即便有集成波导管工艺,也难以在纳米级别上对光器件进行集成。想要波长短,就得抬高光子的能量,进而对承载高能光子的波导管系统提出了更高的要求。如果能实现对紫外或者X射线频段的光的波导管技术突破(材料上和结构上),那么在分子级别器件的热力学极限上,光子器件将全方面超越电子器件。

实现算法的数学要求

算法的输入输出一般都用某一函数来实现,意即:
F ( 输 入 ) = 输 出 F(输入)=输出 F()=
其中,具体到F函数时,又往往可将F函数分解为一系列简单函数的复合:

### 关于 `create_generate_clock` 和 `-comb` 参数的用法 在 FPGA 设计中,`create_generated_clock` 是一种用于定义由设计内部逻辑产生的时钟信号的方法。此命令通常应用于描述分频器、倍频器或其他形式的时钟生成模块的行为[^1]。 #### `-comb` 参数的意义 当使用 `-comb` 参数时,表示目标时钟是由组合逻辑生成的,而不是通过寄存器或锁相环 (PLL) 等同步机制生成的。这意味着源时钟经过某些组合逻辑操作后产生了新的时钟信号。这种情况下,工具会假设新时钟与源时钟之间存在一定的延迟关系,并尝试基于该模型进行静态时序分析 (STA)。 以下是具体说明: - **适用场景**: 当设计中的某个时钟信号完全依赖于输入时钟并通过纯组合逻辑路径生成时,可以指定 `-comb` 参数。 - **约束影响**: 使用 `-comb` 可能会影响时序收敛过程,因为工具需要考虑额外的不确定性因素(例如组合逻辑传播延时)。如果未正确建模这些延迟,则可能导致 STA 报告虚假违例或者忽略实际存在的问题[^2]。 下面是一个典型的例子展示如何应用这一参数: ```tcl # 定义一个由clk_in经由某种组合逻辑变换得到的新时钟new_clk_out create_generated_clock -name new_clk_out \ -source [get_pins some_module/clk_in] \ -combine_with_source false \ -divide_by 1 \ -multiply_by 1 \ -phase 0.0 \ -comb true \ [get_pins some_module/new_clk_out] ``` 上述脚本片段表明了创建名为 `new_clk_out` 的派生时钟的过程, 并指定了它是通过组合逻辑形成的事实. 需要注意的是,在现代综合工具链里,推荐尽可能减少直接操控低级物理实现细节的机会;取而代之应该让高层次抽象主导整个流程以便获得更优的结果以及更好的可移植性和维护性[^3]. 尽管如此,了解并掌握此类基础概念对于调试复杂项目仍然至关重要。
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