[논문 리뷰] Analog input layer for optical reservoir computers

François Duport, Akram Akrout외 3명|arXiv (Cornell University)|2014. 06. 12.

Neural Networks and Reservoir Computing참고 문헌 15인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 디지털 사전 처리를 대체하기 위해 하나 또는 두 개의 사인파를 사용한 조화 조절을 활용하는 광 리저보아르 컴put러를 위한 아날로그 입력 레이어를 제안한다. 수치적 및 실험적 결과는 이중 사인 조절이 최첨단 디지털 사전 처리 수준의 성능을 달성함을 보여주며, 완전히 아날로그이자 초고대역폭의 리저보아르 컴퓨팅 시스템을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Reservoir computing is an information processing technique, derived from the theory of neural networks, which is easy to implement in hardware. Several reservoir computer hardware implementations have been realized recently with performance comparable to digital implementations, which demonstrated the potential of reservoir computing for ultrahigh bandwidth signal processing tasks. In all these implementations however the signal pre-processing necessary to efficiently address the reservoir was performed digitally. Here we show how this digital pre-processing can be replaced by an analog input layer. We study both numerically and experimentally to what extent the pre-processing can be replaced by a modulation of the input signal by either a single sine-wave or by a sum of two sine functions, since harmonic oscillations are particularly easy to generate in hardware. We find that the modulation by a single sine gives performance worse than state of the art. On the other hand, on many -but not all- tasks, the modulation by two sines gives performances comparable to the state of the art. The present work thus represents an important step towards fully autonomous, ultrahigh bandwidth analog reservoir computers.

연구 동기 및 목표

• 디지털 사전 처리를 제거하고 이를 아날로그 입력 레이어로 대체함으로써 광 리저보아르 컴퓨팅에서 디지털 사전 처리를 제거한다.
• 사인파를 통한 조화 조절이 리저보아르 컴퓨팅을 위한 입력 신호를 효과적으로 인코딩할 수 있는지 조사한다.
• 수치 시뮬레이션과 실험 설정에서 단일 사인파 대비 이중 사인파 조절의 성능을 평가한다.
• 최소한의 디지털 신호 처리를 통해 완전히 자율적이고 초고대역폭의 아날로그 리저보아르 컴퓨팅 시스템을 가능하게 한다.

제안 방법

• 입력 신호를 단일 사인파 또는 두 사인파의 합으로 조절하는 아날로그 입력 레이어를 구현한다.
• 디지털 사전 처리 대신 하드웨어에서 쉽게 생성할 수 있는 조화 진동을 사용하여 입력 신호를 형상화한다.
• 비선형 섬유 또는 딜레이 기반 시스템과 같은 광 리저보아르에 조절된 신호를 적용하여 정보 처리를 수행한다.
• 다양한 조절 방식에서의 시스템 행동을 분석하기 위해 수치 시뮬레이션을 수행한다.
• 이중 사인 입력을 테스트하기 위해 막스-젠더 간섭계 기반 변조기를 사용한 광 리저보아르를 활용한 실험적 검증을 수행한다.
• 표준 리저보아르 컴퓨팅 작업에서 아날로그 입력 레이어의 성능을 디지털 사전 처리 기준과 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 사인파 조절이 광 리저보아르 컴퓨팅에서 디지털 사전 처리를 수용 가능한 성능으로 대체할 수 있는가?
• RQ2 정확도와 내성 면에서 이중 사인파 조절이 단일 사인파 조절보다 뛰어나다고 할 수 있는가?
• RQ3 어느 정도의 범위에서 아날로그 조화 조절이 리저보아르 컴퓨팅 작업에서 디지털 사전 처리 수준의 성능을 달성할 수 있는가?
• RQ4 특정 작업에서는 아날로그 입력 레이어에 이중 사인파 조절이 최첨단 디지털 구현을 따라하거나 뛰어넘을 수 있는가?
• RQ5 제안된 아날로그 입력 레이어는 완전히 자율적이고 초고대역폭의 리저보아르 컴퓨팅 시스템을 가능하게 할 수 있는가?

주요 결과

• 단일 사인파 조절은 최첨단 디지털 사전 처리 수준보다 열등한 성능을 보이며, 부족한 신호 인코딩 능력을 시사한다.
• 이중 사인파 조절은 많은, 그러나 모든 기준 작업에서 최첨단 디지털 사전 처리 수준의 성능을 달성한다.
• 실험적 설정은 실시간 신호 처리를 가능하게 하는 광 리저보아르 컴퓨터에서 이중 사인 입력 레이어의 실현 가능성을 성공적으로 입증한다.
• 조화 진동을 이용한 조절은 초고대역폭 응용에 적합한 하드웨어 우수성과 낮은 복잡도의 아날로그 사전 처리를 가능하게 한다.
• 결과는 최소한의 디지털 간섭을 동반한 완전히 자율적이고 온전히 광학 기반의 리저보아르 컴퓨팅 시스템으로 나아가는 데 있어 중요한 단계를 나타낸다.