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Sophisticated deep learning with on-chip optical diffractive tensor processing

计算机科学 深度学习 卷积神经网络 人工智能 计算机工程 随机梯度下降算法 计算科学 计算机体系结构 电子工程 模式识别(心理学) 人工神经网络 机器学习 工程类
作者
Yu‐Yao Huang,Tingzhao Fu,Honghao Huang,Yang Shen,Hongwei Chen
出处
期刊:Photonics Research [The Optical Society]
卷期号:11 (6): 1125-1125 被引量:3
标识
DOI:10.1364/prj.484662
摘要

Ever-growing deep-learning technologies are making revolutionary changes for modern life. However, conventional computing architectures are designed to process sequential and digital programs but are burdened with performing massive parallel and adaptive deep-learning applications. Photonic integrated circuits provide an efficient approach to mitigate bandwidth limitations and the power-wall brought on by its electronic counterparts, showing great potential in ultrafast and energy-free high-performance computation. Here, we propose an optical computing architecture enabled by on-chip diffraction to implement convolutional acceleration, termed “optical convolution unit” (OCU). We demonstrate that any real-valued convolution kernels can be exploited by the OCU with a prominent computational throughput boosting via the concept of structral reparameterization. With the OCU as the fundamental unit, we build an optical convolutional neural network (oCNN) to implement two popular deep learning tasks: classification and regression. For classification, Fashion Modified National Institute of Standards and Technology (Fashion-MNIST) and Canadian Institute for Advanced Research (CIFAR-4) data sets are tested with accuracies of 91.63% and 86.25%, respectively. For regression, we build an optical denoising convolutional neural network to handle Gaussian noise in gray-scale images with noise level σ =10, 15, and 20, resulting in clean images with an average peak signal-to-noise ratio (PSNR) of 31.70, 29.39, and 27.72 dB, respectively. The proposed OCU presents remarkable performance of low energy consumption and high information density due to its fully passive nature and compact footprint, providing a parallel while lightweight solution for future compute-in-memory architecture to handle high dimensional tensors in deep learning.
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