硅基光電子技術(shù)在深度學(xué)習(xí)加速中的應(yīng)用：CrossLight介紹

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言隨著深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（DNNs）在各種應(yīng)用中變得越來越復(fù)雜和普遍，對(duì)高效硬件加速器的需求比以往任何時(shí)候都更為迫切。在后摩爾定律時(shí)代，傳統(tǒng)電子加速器面臨著基本限制，在帶寬和能效方面造成瓶頸。硅基光電子技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，可為深度學(xué)習(xí)加速提供節(jié)能、超高帶寬和低延遲的解決方案。
- i& B1 F% X) ~- L" a5 B本文介紹CrossLight，新型硅基光電子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速器，通過跨層設(shè)計(jì)方法解決光計(jì)算中的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。將探討光計(jì)算的基礎(chǔ)知識(shí)、CrossLight的架構(gòu)以及與最先進(jìn)加速器的性能比較。

* ?# j3 u; s. a$ C2 V光計(jì)算基礎(chǔ)
在深入了解CrossLight之前，讓我們先了解深度學(xué)習(xí)光計(jì)算的基礎(chǔ)知識(shí)。光加速器通常使用廣播和權(quán)重（B&W）配置來執(zhí)行矩陣-矢量乘法，這對(duì)DNN中的卷積（CONV）和全連接（FC）層都是必不可少的。
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0 o: ?/ {' E! v  ?; h圖1顯示了基于非相干廣播和權(quán)重（B&W）的光電子神經(jīng)元配置。
/ m' T, l6 x3 u. L在此配置中，輸入值通過調(diào)制器印刻在不同波長(zhǎng)的光上。然后，這些波長(zhǎng)被合并并分成多個(gè)分支，每個(gè)分支由微環(huán)諧振器（MRs）加權(quán)。加權(quán)信號(hào)通過光電探測(cè)器求和，完成矩陣-矢量乘法運(yùn)算。
* |9 n5 t, }! W" e這種設(shè)置中的關(guān)鍵組件是微環(huán)諧振器（MR）。MR可以調(diào)諧以改變特定波長(zhǎng)的能量，有效地在光域中實(shí)現(xiàn)乘法運(yùn)算。
CrossLight架構(gòu)
CrossLight采用跨層方法優(yōu)化光加速，解決設(shè)備、線路和架構(gòu)層面的挑戰(zhàn)。

圖2展示了CrossLight非相干硅基光電子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速器的高級(jí)概述。
  ^1 O  e* u0 C/ N1 A# w設(shè)備級(jí)優(yōu)化在設(shè)備級(jí)別，CrossLight引入了優(yōu)化的MR設(shè)計(jì)，對(duì)制造工藝變化（FPVs）更具彈性。通過全面的設(shè)計(jì)空間探索，研究人員發(fā)現(xiàn)，使用400納米的輸入波導(dǎo)寬度和800納米的環(huán)形波導(dǎo)寬度可以將由FPV引起的不期望的諧振波長(zhǎng)偏移減少70%。
線路級(jí)優(yōu)化為解決緊密排列的MR之間的熱串?dāng)_問題，CrossLight采用了結(jié)合熱光（TO）和電光（EO）調(diào)諧的混合調(diào)諧方法。與傳統(tǒng)的僅TO調(diào)諧方法相比，這種方法可以實(shí)現(xiàn)更快的操作速度和更低的功耗。
此外，CrossLight采用了稱為熱特征分解（TED）的方法，可以集體調(diào)諧MR組中的所有MR，有效地以較低的功耗消除熱串?dāng)_效應(yīng)。

圖3顯示了10個(gè)制造的MR塊中相鄰MR對(duì)之間距離可變時(shí)的相位串?dāng)_比和調(diào)諧功耗。
架構(gòu)級(jí)優(yōu)化CrossLight為CONV和FC層加速引入了單獨(dú)的矢量點(diǎn)積（VDP）單元，認(rèn)識(shí)到這些層的不同計(jì)算需求。這種分離允許更高效地處理這兩種類型的層。
該架構(gòu)還在VDP單元內(nèi)實(shí)現(xiàn)了波長(zhǎng)重用策略，減少了所需的激光器總數(shù)，從而降低了功耗。通過將較大的矢量分解為較小的矢量，并在VDP單元內(nèi)的多個(gè)分支上執(zhí)行并行計(jì)算，CrossLight在并行性和激光器功率需求之間實(shí)現(xiàn)了平衡。
性能分析為評(píng)估CrossLight的性能，研究人員使用四個(gè)不同復(fù)雜度的DNN模型進(jìn)行了廣泛的模擬。
, g0 }. r% w& K0 \/ z" x& a& ~分辨率分析CrossLight的一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)是能夠?qū)崿F(xiàn)高分辨率計(jì)算。雖然一些光加速器限制在2-4位分辨率，但CrossLight可以為其MR組實(shí)現(xiàn)高達(dá)16位的分辨率。

圖4演示了四個(gè)DNN模型在權(quán)重和激活的量化（分辨率）范圍從1位到16位時(shí)的推理準(zhǔn)確性。
' e; R, k. I7 R7 \/ V3 f8 `) S$ y這種高分辨率對(duì)于維持模型準(zhǔn)確性很重要，特別是對(duì)于在具有挑戰(zhàn)性的數(shù)據(jù)集上訓(xùn)練的復(fù)雜模型。
敏感性分析研究人員進(jìn)行了敏感性分析，以確定CrossLight的最佳配置，改變CONV和FC層加速器的VDP單元的數(shù)量和復(fù)雜度。
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$ ~( k% z" m/ {: v圖5是散點(diǎn)圖，顯示了各種CrossLight配置的平均每秒幀數(shù)（FPS）與平均每比特能耗（EPB）與面積的關(guān)系。
最佳配置是基于最高的FPS/EPB比率選擇的，平衡了性能和能效。
與最先進(jìn)加速器的比較CrossLight與兩個(gè)著名的光加速器（DEAP-CNN和Holylight）以及幾個(gè)電子加速器（包括GPU和CPU）進(jìn)行了比較。

$ f/ ~# `2 `& o圖6比較了CrossLight各變體與光電子和電子加速器平臺(tái)的功耗。
7 T7 C& g" v; Q4 R$ {結(jié)果顯示，CrossLight，特別是在優(yōu)化配置（Cross_opt_TED）中，實(shí)現(xiàn)了比其他光加速器和傳統(tǒng)CPU/GPU平臺(tái)更低的功耗，盡管功耗仍高于一些專用電子加速器。
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* z  z  q; o( p9 ^4 f! W圖7比較了光電子DNN加速器的每比特能耗（EPB）值。
在能效方面，CrossLight顯著優(yōu)于其他光加速器，平均比DEAP-CNN和Holylight分別低1544倍和9.5倍的EPB。
CrossLight的性能優(yōu)勢(shì)源于全面考慮了光系統(tǒng)中的各種損耗和串?dāng)_，以及在設(shè)備、線路和架構(gòu)層面采用新方法來減輕影響。
; Z3 k  s  Z4 ]+ N$ j2 ~結(jié)論CrossLight展示了光電子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速器中跨層優(yōu)化的潛力。通過解決硬件棧多個(gè)層面的挑戰(zhàn)，與最先進(jìn)的光電子和電子加速器相比，在能效和每瓦性能方面實(shí)現(xiàn)了顯著改進(jìn)。
隨著硅基光電子制造工藝的不斷成熟，我們可以期待設(shè)備調(diào)諧成本、損耗和激光器功率開銷進(jìn)一步降低。這一趨勢(shì)可能會(huì)加強(qiáng)光域加速器在深度學(xué)習(xí)推理任務(wù)中的地位。
CrossLight的成功突出了在設(shè)計(jì)下一代硬件加速器時(shí)采用全面、跨層方法的重要性。隨著我們推動(dòng)人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)的邊界，這種創(chuàng)新架構(gòu)將在實(shí)現(xiàn)更高效和強(qiáng)大的計(jì)算系統(tǒng)方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。
參考文獻(xiàn)[1]M. Nikdast, S. Pasricha, G. Nicolescu, and A. Seyedi, Eds., Silicon Photonics for High-Performance Computing and Beyond, 1st ed. Boca Raton, FL, USA: CRC Press, 2021.
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, s" a  U! Q) D# J) l2 v深圳逍遙科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家專注于半導(dǎo)體芯片設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）的高科技軟件公司。我們自主開發(fā)特色工藝芯片設(shè)計(jì)和仿真軟件，提供成熟的設(shè)計(jì)解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分別針對(duì)光電芯片、微機(jī)電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計(jì)與仿真。我們提供特色工藝的半導(dǎo)體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務(wù)，廣泛服務(wù)于光通訊、光計(jì)算、光量子通信和微納光子器件領(lǐng)域的頭部客戶。逍遙科技與國(guó)內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作，推動(dòng)特色工藝半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，致力于為客戶提供前沿技術(shù)與服務(wù)。

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