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All-analog photoelectronic chip for high-speed vision tasks

计算机科学 转换器 MNIST数据库 编码器 计算机硬件 光学计算 模拟电子学 帧速率 炸薯条 模拟计算机 电子工程 人工智能 电气工程 电子线路 深度学习 电压 工程类 电信 操作系统
作者
Yitong Chen,Maimaiti Nazhamaiti,Han Xu,Yao Meng,Tiankuang Zhou,Guangpu Li,Jingtao Fan,Qi Wei,Jiamin Wu,Fei Qiao,Lu Fang,Qionghai Dai
出处
期刊:Nature [Springer Nature]
卷期号:623 (7985): 48-57 被引量:103
标识
DOI:10.1038/s41586-023-06558-8
摘要

Abstract Photonic computing enables faster and more energy-efficient processing of vision data 1–5 . However, experimental superiority of deployable systems remains a challenge because of complicated optical nonlinearities, considerable power consumption of analog-to-digital converters (ADCs) for downstream digital processing and vulnerability to noises and system errors 1,6–8 . Here we propose an all-analog chip combining electronic and light computing (ACCEL). It has a systemic energy efficiency of 74.8 peta-operations per second per watt and a computing speed of 4.6 peta-operations per second (more than 99% implemented by optics), corresponding to more than three and one order of magnitude higher than state-of-the-art computing processors, respectively. After applying diffractive optical computing as an optical encoder for feature extraction, the light-induced photocurrents are directly used for further calculation in an integrated analog computing chip without the requirement of analog-to-digital converters, leading to a low computing latency of 72 ns for each frame. With joint optimizations of optoelectronic computing and adaptive training, ACCEL achieves competitive classification accuracies of 85.5%, 82.0% and 92.6%, respectively, for Fashion-MNIST, 3-class ImageNet classification and time-lapse video recognition task experimentally, while showing superior system robustness in low-light conditions (0.14 fJ μm −2 each frame). ACCEL can be used across a broad range of applications such as wearable devices, autonomous driving and industrial inspections.
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