A review of emerging trends in photonic deep learning accelerators

深度学习 光子学 计算机科学 CMOS芯片 计算机体系结构 高效能源利用 绘图 能源消耗 摩尔定律 人工智能 计算机工程 嵌入式系统 电子工程 电气工程 工程类 操作系统 材料科学 光电子学
作者
Mohammad Atwany,Sarah Pardo,Solomon Serunjogi,Mahmoud Rasras
出处
期刊:Frontiers in Physics [Frontiers Media]
卷期号:12
标识
DOI:10.3389/fphy.2024.1369099
摘要

Deep learning has revolutionized many sectors of industry and daily life, but as application scale increases, performing training and inference with large models on massive datasets is increasingly unsustainable on existing hardware. Highly parallelized hardware like Graphics Processing Units (GPUs) are now widely used to improve speed over conventional Central Processing Units (CPUs). However, Complementary Metal-oxide Semiconductor (CMOS) devices suffer from fundamental limitations relying on metallic interconnects which impose inherent constraints on bandwidth, latency, and energy efficiency. Indeed, by 2026, the projected global electricity consumption of data centers fueled by CMOS chips is expected to increase by an amount equivalent to the annual usage of an additional European country. Silicon Photonics (SiPh) devices are emerging as a promising energy-efficient CMOS-compatible alternative to electronic deep learning accelerators, using light to compute as well as communicate. In this review, we examine the prospects of photonic computing as an emerging solution for acceleration in deep learning applications. We present an overview of the photonic computing landscape, then focus in detail on SiPh integrated circuit (PIC) accelerators designed for different neural network models and applications deep learning. We categorize different devices based on their use cases and operating principles to assess relative strengths, present open challenges, and identify new directions for further research.
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