[논문 리뷰] Microring Weight Banks Control beyond 8.5-bits Accuracy

Weipeng Zhang, Chaoran Huang외 6명|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 14.

Photonic and Optical Devices인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 실리콘 포토닉스에서 마이크로링 공진기(MRR) 가중치 벡터에 대한 새로운 디터링 방법을 제안하며, 최대 8.5비트 정확도와 9.0비트 정밀도를 달성하여 아날로그 프로세서 수준에 도달함과 동시에, 추가적인 복잡성 최소화와 효과적인 교차 채널 간섭 억제를 통해 다수의 MRR를 스케일러블하게 제어할 수 있게 하여 MRR 기반 광 컴퓨팅 응용 분야를 크게 향상시킨다.

ABSTRACT

The microring resonators (MRR) weight bank, a ubiquitous element in silicon photonics providing weight addition, yet, has long suffered from the weakness of low accuracy, so that harming its potential in various promising applications. Here, we demonstrated a novel dithering method for MRR weight control, reaching an accuracy of up to 8.5 bits and a precision of up to 9.0 bits, which rivals that of the analog processors. Also, this method maintains good scalability to control multi-MRRs with little additional increase in searching time and system complexity, and has efficacious suppression to the inter-channel crosstalk. Given these features, this method could widely benefit the applications of MRR weight banks and facilitate the prevalence of the MRR in silicon photonics.

연구 동기 및 목표

• 고정밀 광 컴퓨팅에서의 활용을 제한하는 마이크로링 공진기(MRR) 가중치 벡터의 낮은 정확도 문제를 해결하기 위해.
• 시스템 복잡성이나 검색 시간을 크게 증가시키지 않으면서 다수의 MRR를 제어할 수 있는 확장 가능한 방법을 개발하기 위해.
• 신호 무결성을 향상시키기 위해 MRR 가중치 벡터에서의 채널 간 교차 간섭을 효과적으로 억제하기 위해.
• 모든 광학적 전자기계 시스템에서 아날로그 프로세서 수준의 정확도와 정밀도를 달성하기 위해.

제안 방법

• 정밀한 가중치 제어를 위해 마이크로링 공진기의 공진 조건을 미세 조정하기 위해 새로운 디터링 기법을 적용한다.
• 이 방법은 MRR 파rameter에 통제된 교란을 도입하여 기존 방법을 초월하는 고해상도 조정을 가능하게 하며, 해상도를 향상시킨다.
• 디터링 접근법은 확장 가능하도록 설계되어, 계산 오버헤드의 최소 증가로 다수의 MRR를 효율적으로 제어할 수 있다.
• 채널 간 교차 간섭은 디터링 과정 중 최적화된 제어 알고리즘과 공진 조절을 통해 억제된다.
• 디터링 프레임워크 내재의 피드백 메커니즘을 활용하여 제조 변동에 대한 민감도를 낮춘다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 디터링 방법이 마이크로링 공진기 가중치 벡터에서 9비트 이하 정밀도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 제안된 방법은 성능 저하 없이 또는 복잡성 증가 없이 다수의 MRR를 제어하는 데 어떻게 스케일링되는가?
• RQ3 이 기법을 사용할 경우 MRR 기반 가중치 벡터에서 채널 간 교차 간섭은 어느 정도 억제될 수 있는가?
• RQ4 이 방법은 광 컴퓨팅 시스템에서 아날로그 프로세서 수준의 정확도와 정밀도를 달성하는가?

주요 결과

• 제안된 디터링 방법은 최대 8.5비트의 가중치 제어 정확도를 달성하여 이전의 MRR 기반 시스템보다 크게 향상되었다.
• 최대 9.0비트의 정밀도가 입증되었으며, 광 컴퓨팅 응용 분야에서 아날로그 프로세서의 성능을 뛰어넘지 못하는 수준에 도달했다.
• 이 방법은 확장 가능성을 유지하며, 다수의 MRR를 제어할 경우 검색 시간과 시스템 복잡성의 증가가 극히 미미하다.
• 채널 간 교차 간섭이 효과적으로 억제되어, 다중 채널 MRR 가중치 벡터에서 신호 무결성이 향상되었다.
• 이 기법은 MRR를 활용한 고정밀 광 컴퓨팅을 가능하게 하여 실리콘 포토닉스 구현에 실용적으로 적용할 수 있도록 했다.