[論文レビュー] Microring Weight Banks Control beyond 8.5-bits Accuracy

Weipeng Zhang, Chaoran Huang+6 more|arXiv (Cornell University)|Mar 14, 2021

Photonic and Optical Devices被引用数 14

ひとこと要約

本稿では、シリコンフォトニクスにおけるマイクロリングレゾネータ（MRR）ウェイトバンク向けに、新規のデザイティング手法を提案する。8.5ビットの精度に達し、アナログプロセッサと同等の性能を実現するとともに、最小限の追加複雑性で多数のMRRをスケーラブルに制御可能であり、効果的な crosstalk 抑制が可能となり、MRRを用いた光コンピューティング応用が顕著に向上する。

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.

研究の動機と目的

• 高精度な光コンピューティングにおける応用が制限されるマイクロリングレゾネータ（MRR）ウェイトバンクの低精度という長年の問題に取り組むこと。
• システムの複雑性や探索時間の著しい増加を伴わずに、多数のMRRをスケーラブルに制御する手法を開発すること。
• 信号整合性の向上を図るため、MRRウェイトバンクにおけるチャネル間 crosstalk を効果的に抑圧すること。
• すべての光オールオールコンピューティングシステムにおいて、アナログプロセッサと同等の精度と正確性を達成すること。

提案手法

• 微細な共振条件の調整を可能にするために、マイクロリングレゾネータの共振特性に新規のデザイティング技術を適用し、正確なウェイト制御を実現する。
• 制御された摂動をMRRパラメータに導入することで、従来手法を上回る高分解能の調整が可能となる。
• スケーラブルな設計を実現するため、計算オーバーヘッドの増加を最小限に抑えながら、多数のMRRを効率的に制御可能である。
• デザイティングプロセスにおける最適化された制御アルゴリズムと共振管理により、チャネル間 crosstalk が抑圧される。
• デザイティングフレームワークに内在するフィードバックメカニズムを活用することで、プロセスの製造バラツキに対する感度が低減される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 デザイティング手法は、マイクロリングレゾネータウェイトバンクで9ビット未満の精度を達成できるか？
• RQ2 提案手法は、性能の劣化や複雑性の増加を伴わず、多数のMRRを制御する際にどのようにスケーラブルに機能するか？
• RQ3 この手法を用いることで、MRRベースのウェイトバンクにおけるチャネル間 crosstalk はどの程度抑圧可能か？
• RQ4 この手法は、光コンピューティングシステムにおいてアナログプロセッサと同等の正確性と精度を達成できるか？

主な発見

• 提案されたデザイティング手法により、ウェイト制御の正確性が最大8.5ビットに達し、従来のMRRベースのシステムを著しく上回る。
• 最大9.0ビットの精度が実証され、光コンピューティング応用においてアナログプロセッサと同等の性能を達成している。
• スケーラビリティが維持されており、多数のMRRを制御する際も、探索時間およびシステム複雑性の増加はわずかである。
• チャネル間 crosstalk が効果的に抑圧されており、マルチチャネルMRRウェイトバンクにおける信号忠実度が向上している。
• MRRを用いた高精度な光コンピューティングが可能となり、実用的なシリコンフォトニクス実装に向けた実現可能性が高まった。