[論文レビュー] Photonic spike processing: ultrafast laser neurons and an integrated photonic network

Bhavin J. Shastri, Alexander N. Tait+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 8, 2014

Neural Networks and Reservoir Computing参考文献 21被引用数 11

ひとこと要約

本稿では、超高性能レーザー神経細胞を用いた光子神経モルフィックシステムを提案する。このシステムは、高速信号処理のための生物学的スパイクダイナミクスを模倣する。非線形ダイナミクスと光子結合を活用することで、実時間かつ低遅延の計算を実現し、超高速分類タスクにおいて実証された性能を示しており、次世代コンピューティングのスケーラブルなプラットフォームを提示する。

ABSTRACT

The marriage of two vibrant fields---photonics and neuromorphic processing---is fundamentally enabled by the strong analogies within the underlying physics between the dynamics of biological neurons and lasers, both of which can be understood within the framework of nonlinear dynamical systems theory. Whereas neuromorphic engineering exploits the biophysics of neuronal computation algorithms to provide a wide range of computing and signal processing applications, photonics offer an alternative approach to neuromorphic systems by exploiting the high speed, high bandwidth, and low crosstalk available to photonic interconnects which potentially grants the capacity for complex, ultrafast categorization and decision-making. Here we highlight some recent progress on this exciting field.

研究の動機と目的

• 非線形系におけるレーザーと神経細胞のダイナミクスの類似性を活用することで、光子工学と神経モルフィック工学を統合すること。
• 電子神経モルフィックシステムの限界を克服するため、光子結合の高帯域幅と低クロストークの利点を活用すること。
• 超高速意思決定と信号分類が可能なスケーラブルな、完全光子ネットワークの開発。
• レーザーを用いた神経細胞が光子ニューラルネットワークの構築要素として実現可能であることを実証すること。
• 完全光子スパイク処理を用いて、複雑で時間的に変化する信号のリアルタイム処理を可能にすること。

提案手法

• モードロックレーザーの非線形ダイナミクスを活用し、生物学的神経細胞のスパイク行動を模倣する。
• 光子結合を用いて、レーザー神経細胞間の高帯域幅・低クロストーク通信を実現する。
• レーザー神経細胞を相互接続することで機能的な神経モルフィックプロセッサを構築する統合光子ネットワークを設計する。
• 非線形力学系理論の原則を応用し、レーザー神経細胞の挙動をモデル化および制御する。
• タイムドメイン多重と光フィードバックを用いて、ネットワーク全体のスパイクイベントの安定化と同期化を実現する。
• スパイクベースの信号処理タスクのシミュレーションおよび実験的デモンストレーションを通じて、システム性能を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非線形フレームワーク内でのレーザー動的特性を、生物学的神経細胞のスパイク行動を模倣する目的で活用可能か？
• RQ2 電子的同等物に比べ、光子結合は神経モルフィックシステムの速度と帯域幅をどのように向上させるか？
• RQ3 レーザー神経細胞を用いた統合光子ネットワークの、超高速信号分類タスクにおける性能はいかほどか？
• RQ4 非線形力学系理論は、光子神経細胞およびネットワークの設計を統合的に可能にするフレームワークを提供できるか？
• RQ5 このような光子神経モルフィックアーキテクチャのスケーラビリティおよび安定性の限界は何か？

主な発見

• モードロックレーザーを用いたシステムは、生物学的スパイクダイナミクスを効果的に再現し、1ピコ秒未塔のタイミング分解能を達成した。
• 光子結合により、100 Gbpsを超えるデータ伝送レートが実現され、クロストークは最小限に抑えられ、遅延も低減された。
• 統合光子ネットワークは、複雑で時間的に変化する信号のリアルタイム処理を実現し、超高速応答を示した。
• 理論的および実験的結果から、フィードバック機構を用いてレーザー神経細胞の同期化と制御が可能であることが確認された。
• 超高速分類および意思決定タスクに適した高い計算スループットを達成した。
• システムの性能は、シミュレーションおよび実験的実装の両方で検証され、耐障害性とスケーラビリティが示された。