[論文レビュー] Analog input layer for optical reservoir computers

François Duport, Akram Akrout+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 12, 2014

Neural Networks and Reservoir Computing参考文献 15被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、デジタル事前処理の代わりに1つまたは2つの正弦波を用いた高調波変調を行う光リザボアコンピュータ用アナログ入力層を提案する。数値的および実験的結果から、二重正弦波変調が最先端のデジタル事前処理と同等の性能を達成することが示され、完全にアナログ的で超高速帯域幅のリザボアコンピューティングシステムの実現が可能となる。

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.

研究の動機と目的

• デジタル事前処理を排除し、アナログ入力層に置き換えることで、光リザボアコンピューティングにおけるデジタル処理を不要にする。
• 正弦波による高調波変調が、リザボアコンピューティングに適した入力信号の符号化に有効であるかどうかを検証する。
• 数値シミュレーションおよび実験的設定において、単一正弦波と二重正弦波変調の性能を評価する。
• 最小限のデジタル信号処理で、完全に自律的かつ超高速帯域幅のアナログリザボアコンピューティングシステムを実現する。

提案手法

• 入力信号を単一の正弦波または2つの正弦波の和で変調するアナログ入力層を実装する。
• ハードウェアで容易に生成可能な高調波振動を用い、デジタル事前処理の代わりに入力信号を整形する。
• 非線形ファイバーや遅延ベースのシステムなどの光リザボアに変調信号を入力し、情報処理を実行する。
• 異なる変調方式におけるシステム動作を分析するために数値的シミュレーションを実施する。
• Mach-Zehnder干渉型変調器を備えた光リザボアを用いた実験的検証を行い、二重正弦波入力をテストする。
• 標準的なリザボアコンピューティングタスクにおいて、アナログ入力層の性能をデジタル事前処理のベンチマークと比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単一正弦波変調が、許容可能な性能を発揮する限りで、光リザボアコンピューティングにおけるデジタル事前処理を置き換えることができるか？
• RQ2 リザボアコンピューティングの精度および耐障害性の観点から、二重正弦波変調が単一正弦波変調を上回るか？
• RQ3 アナログ高調波変調が、リザボアコンピューティングタスクにおいて、どの程度デジタル事前処理と同等の性能を達成できるか？
• RQ4 特定のタスクにおいて、二重正弦波変調を用いたアナログ入力層が、最先端のデジタル実装を上回るか、同等の性能を発揮するか？
• RQ5 提案されたアナログ入力層により、完全に自律的かつ超高速帯域幅のリザボアコンピューティングシステムを実現できるか？

主な発見

• 単一正弦波変調では、最先端のデジタル事前処理よりも性能が劣り、信号符号化能力が不十分であることが示された。
• 二重正弦波変調は、多くのベンチマークタスクにおいて、最先端のデジタル事前処理と同等の性能を達成した。
• 実験的セットアップにより、リアルタイム信号処理が可能な光リザボアコンピュータに二重正弦波入力層を適用する可能性が実証された。
• 高調波振動を用いた変調により、ハードウェアに優しく、低複雑性のアナログ事前処理が可能となり、超高速帯域幅アプリケーションに適している。
• 本結果は、最小限のデジタル干渉で完全に自律的かつすべて光のリザボアコンピューティングシステムを実現する上で、重要な一歩を示している。