ES3048780T3 - Ultra-wide data band optical processor - Google Patents

Abstract

Se presenta un sistema de computación fotónica. El sistema comprende una disposición de múltiples unidades de procesamiento fotónico con puertos de entrada y salida. Cada unidad de procesamiento fotónico comprende un conjunto de unidades de guía fotónicas configuradas para definir las condiciones de propagación de múltiples campos de luz asociados a una o más tareas de procesamiento óptico. El sistema también comprende varios conectores ópticos, cada uno de los cuales realiza el acoplamiento de campo de luz a campo de luz entre los puertos de entrada y salida de las unidades de procesamiento fotónico, proporcionando así una red de unidades de procesamiento comunicadas. El sistema de computación fotónica puede configurarse como un módulo que permite su alojamiento en un rack de red. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

[0001] DESCRIPCIÓN

[0003] Procesador óptico de banda de datos ultraancha

[0005] Campo tecnológico y antecedentes

[0007] La presente invención se encuentra en el campo de los procesadores fotónicos, que son particularmente útiles en la comunicación óptica de datos, así como dispositivos de cálculo óptico adecuados para su uso en redes neuronales artificiales ópticamente integradas.

[0009] La computación óptica/fotónica utiliza la manipulación de la luz visible o infrarroja para realizar procesos de cálculo. La computación óptica permite tasas de cálculo más rápidas en comparación con sistemas electrónicos, debido al hecho de que las manipulaciones en los pulsos de luz pueden ser más rápidas y permiten la transmisión de un mayor ancho de banda de información.

[0011] La informática óptica puede proporcionar soluciones de baja potencia y alta velocidad para las necesidades de aprendizaje automático e inteligencia artificial (IA) en tiempo real y, por lo tanto, permite la implementación de redes neuronales artificiales (RNA), que son básicamente sistemas informáticos entrenados para optimizar su rendimiento para el reconocimiento automático de datos y la ejecución de acciones relevantes dependiendo de datos entrantes. Un sistema de RNA típico se basa en un conjunto de unidades o nodos conectados (neuronas artificiales); las conexiones entre los nodos pueden transmitir una señal de un nodo a otro. Las diversas entradas a una neurona artificial específica se multiplican por pesos lineales y la salida de la neurona artificial se genera aplicando una función no lineal (como un sigmoide o RelU) sobre la suma de las entradas ponderadas con una adición de un factor de sesgo. La neurona artificial recibe una señal, la procesa y transmite una señal resultante a neurona(s) artificial(es) conectada(s) a la misma.

[0013] En general, las implementaciones de computación fotónica pueden basarse en fotónica de silicio y plataformas de circuitos integrados fotónicos o en soluciones de espacio libre. Sin embargo, tales implementaciones están limitadas por el ruido de fase, la sensibilidad al calor y las ineficiencias dependientes de la escala. En cambio, la fibra óptica ofrece una tecnología robusta, estable y bien desarrollada que ha servido a aplicaciones de comunicaciones ópticas con baja potencia y alto ancho de banda.

[0015] Por ejemplo, el documento WO 2017/033197 a nombre de Zalevskyet al.enseña un módulo óptico integrado. El módulo óptico comprende múltiples canales acoplados ópticamente y permite el uso de los mismos en una red neuronal artificial (RNA). Según algunas realizaciones, el módulo óptico integrado comprende una fibra óptica de múltiples núcleos, en la que los núcleos están acoplados ópticamente.

[0017] El documento WO 2019/186548 A1 (UNIV BAR ILAN [IL]), 3 de octubre de 2019 (03/10/2019), tiene como objetivo proporcionar una unidad de neurona óptica para su uso en redes neuronales totalmente ópticas.

[0019] E. Cohenet al.,"Neural networks within multi-core optic fibres", Sci Rep., 7 de julio de 2016; 6: 29080, describe un diseño conceptual para redes neuronales ópticas en fibra. Las neuronas y las sinapsis se realizan como núcleos de sílice individuales en una fibra de múltiples núcleos. Las señales ópticas se transfieren transversalmente entre núcleos por medio de acoplamiento óptico. La amplificación impulsada por bomba en núcleos dopados con erbio imita las interacciones sinápticas. Las simulaciones han demostrado que las redes pueden diferenciar entre entradas dadas dependiendo de configuraciones específicas de amplificación; y la fibra de múltiples núcleos puede servir como elementos estructurales para redes neuronales artificiales ópticas de pequeño volumen a gran escala.

[0021] Descripción general

[0023] Tal como se indicó anteriormente, los sistemas informáticos fotónicos permiten alcanzar un ancho de banda y una eficiencia de cálculo mucho mejores que los homólogos electrónicos. A nivel de sistema, cualquier módulo adicional (tales como módulos de comunicación, módulos de almacenamiento, módulos de refrigeración, etc.) a un sistema informático electrónico, consume energía adicional sin aumentar el ancho de banda de cálculo y, por lo tanto, reduce la eficiencia global (medida en operaciones/vatio).

[0025] En las aplicaciones de IA existe una clara correlación positiva entre el número de parámetros (nodos, conexiones, capas, etc.) y la precisión informática, así como la capacidad de generalización jerárquica de los sistemas. En varias realizaciones, esto puede referirse a salvar o perder vidas humanas (es decir, vehículos autónomos, aplicaciones de IA relacionadas con la salud y automatización de la seguridad). Por otro lado, los sistemas de supercomputación requieren megavatios y no son energéticamente sostenibles. Por lo tanto, en diversas aplicaciones, en particular aplicaciones de IA, existe la necesidad de un sistema de supercomputación fotónica con un rendimiento extremo y una eficiencia mucho mejor (menor consumo de energía).

[0027] Un sistema de tamaño de servidor hoy en día normalmente contiene 8-16 procesadores, mientras que 3-6 de estos servidores componen un bastidor (o unidad), y un sistema de supercomputación puede consistir en docenas y hasta más de un centenar de bastidores (miles de procesadores en total).

[0029] Tal como se indicó anteriormente, el acoplamiento de luz que se propaga en unidades de guiado fotónico (tales como fibras ópticas y guías de onda) puede usarse para diversas tareas de procesamiento.

[0031] La presente invención proporciona una solución novedosa que permite el acoplamiento óptico entre campos de luz asociados con diferentes condiciones de propagación en una o más unidades de guiado fotónico relacionadas con (que participan en) tarea(s) de procesamiento de un procesador óptico/fotónico, por ejemplo, una unidad de neurona óptica artificial.

[0033] En la siguiente descripción, una unidad de guiado fotónico de este tipo se denomina"fibra"o"fibra óptica",pero debe entenderse que los principios de la presente invención no se limitan al uso de procesadores fotónicos basados en fibra. La invención también puede implementarse con otros tipos de guías de onda o, en general, unidades de guiado fotónico, que pueden implementar computación / procesamiento fotónico mediante la interacción de campos de luz.

[0035] También debe observarse que, para los fines de la presente invención,"campos de luz asociados con diferentes condiciones de propagación"pueden referirse a diferentes modos de propagación en unidades de guiado fotónico multimodo (fibras), y/o diferentes núcleos de fibra(s) de múltiples núcleos ya sea de tipo de fibra monomodo, de pocos modos o multimodo, y/o diferentes fibras que son fibras monomodo, de pocos modos o multimodo, así como pueden soportar diferentes frecuencias.

[0037] La técnica de la presente invención permite una denominada configuración de bastidor de bloques funcionales básicos, cada uno formado por una matriz de las unidades de guiado fotónico descritas anteriormente que pueden funcionar como procesadores fotónicos (por ejemplo, sistema basado en fibra), que puede usarse con cualquier tecnología adecuada conocida para la realización de comunicación de tipo fotónico o red neuronal (por ejemplo, red neuronal basada en múltiples núcleos) que permite obtener una realización compacta de una máquina de procesamiento de banda de datos ultraancha. Tal disposición novedosa de procesadores fotónicos proporciona un número muy alto de procesadores (por ejemplo 1800 o más procesadores) que pueden montarse en paralelo en un único bastidor. Los inventores han demostrado flujos a modo de ejemplo de información, utilización y programabilidad de una disposición de este tipo y cómo puede mejorar potencialmente la eficiencia informática en más de seis órdenes de magnitud mientras se logra un rendimiento de supercomputación.

[0039] La técnica de la invención puede implementarse usando componentes disponibles comercialmente para formar elementos estructurales (unidades de procesamiento) en una neurona computacional fotónica, y permite una interfaz eficiente con el mundo externo de la electrónica a través de componentes de comunicación óptica convencionales. El uso de la técnica de la invención proporciona un rendimiento previsto de más de 1.000.000 tera-operaciones por segundo (TOP) y una eficiencia superior a 1000 TOP/vatio.

[0041] En la siguiente descripción, los términos"unidad informática"y"unidad de procesamiento"se usan de manera intercambiable y se refieren a una disposición de unidades de guiado fotónico configuradas para implementar tareas de procesamiento de datos/señales a través del acoplamiento y la interacción entre los campos de luz. De manera similar, los términos“sistema informático”y“sistema de procesamiento”se usan de manera intercambiable y se refieren a un sistema formado por una pluralidad / matriz de unidades informáticas /de procesamiento con sus módulos de entrada/salida asociados.

[0043] La invención está definida por la reivindicación independiente. Las realizaciones preferidas se definen mediante las reivindicaciones dependientes.

[0045] Breve descripción de las figuras

[0047] Con el fin de entender mejor el objeto que se da a conocer en el presente documento y mostrar a modo de ejemplo cómo puede llevarse a cabo en la práctica, ahora se describirán realizaciones, únicamente por medio de ejemplos no limitativos, con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:

[0049] la figura 1 es una ilustración esquemática de un sistema informático fotónico;

[0051] las figuras 2A-2C muestran a modo de ejemplo una disposición y funcionamiento de múltiples bloques funcionales básicos del sistema informático fotónico de la figura 1, en las que las figuras 2A y 2C muestran una parte del sistema de procesamiento fotónico formado por una pluralidad de los bloques básicos, la figura 2B muestra la configuración a modo de ejemplo de un cuerpo fotónico de la unidad de procesamiento que contiene una pluralidad de unidades de guiado fotónico;

[0053] la figura 3 muestra un bastidor de red configurado para alojar uno o más sistemas informáticos fotónicos;

[0055] la figura 4 muestra esquemáticamente a modo de ejemplo la implementación de la presente invención en una configuración de bastidor de múltiples núcleos de un sistema informático fotónico;

[0057] las figuras 5A y 5B muestran a modo de ejemplo las configuraciones del puerto de entrada que incluyen una unidad de sincronización de entrada y un convertidor de longitud de onda;

[0059] las figuras 6A-6F muestran a modo de ejemplo la fabricación y funcionamiento del sistema informático fotónico, en las que la figura 6A muestra una configuración para una sola unidad informática, la figura 6B muestra una imagen del dispositivo multimodo fabricado correspondiente, las figuras 6C-6D muestran la propagación de modo y la diafonía de dos combinaciones de señales de entrada, demostrando señales mixtas a través del plano de salida; y las figuras 6E y 6F muestran a modo de ejemplo funciones de activación no lineales que pueden ser proporcionadas por el amplificador de fibra;

[0061] las figuras 7A-7D muestran a modo de ejemplo la configuración y el funcionamiento de unidades informáticas/bloques básicos basados en EDMF, en las que las figuras 7A y 7B muestran, respectivamente, una vista lateral y una sección transversal de un ejemplo del cuerpo fotónico del bloque básico, la figura 7C muestra espectros de la unidad informática con y sin acoplamiento entre diferentes núcleos en el cuerpo fotónico de las figuras 6A-6B, y la figura 7D muestra otro ejemplo del cuerpo fotónico basado en EDMF con red realizada por dopaje de núcleo.

[0063] Descripción detallada de realizaciones

[0065] Haciendo referencia a la figura 1, se ilustra esquemáticamente un sistema de procesamiento/informático fotónico 10 configurado y que puede funcionar para implementar diversas tareas/funciones de procesamiento de datos. El sistema 10 puede usarse como un sistema de comunicación óptica o un sistema informático óptico.

[0067] El sistema de procesamiento 10 incluye una matriz / disposición 12 de un cierto númeroLde múltiples bloques funcionales básicos BFB<1>...BFB<i>, configurados como unidades de procesamiento fotónico/unidades informáticas. Cada i-ésima unidad de procesamiento fotónico BFBi tiene sus puertos de entrada/salida asociados 14 y 16. Cada i-ésima unidad de procesamiento fotónico BFBi (bloque funcional básico) está configurada y puede funcionar para implementar una o más tareas/funciones de cálculo/procesamiento, e incluye una pluralidad deNunidades de guiado fotónico PGU<1>...PGUn que forman juntas una pluralidad de canales de campo de luz (generalmente, al menos dos de tales canales) configurados para definirMcondiciones de propagación de campo de luz, donde M>N.

[0069] Tal como se indicó anteriormente, los múltiples canales de luz pueden estar asociados con múltiples fibras, por ejemplo, fibra(s) monomodo y/o fibra(s) multimodo, y/o fibras de un único núcleo o de múltiples núcleos.

[0071] En la siguiente descripción, la unidad de procesamiento fotónico, así como la disposición 12 de tales unidades, a veces se denomina disposición de fibra o unidad basada en fibra. Sin embargo, tal como se describió anteriormente, los principios de la presente invención relacionados con la arquitectura novedosa del sistema de procesamiento fotónico 10 no se limitan a la configuración basada en fibra.

[0073] La unidad de guiado fotónico define al menos una trayectoria de propagación de la luz (núcleo). Debe entenderse que, para los fines de la presente invención, el significado del término"canal de luz"no debe limitarse a"luz de un espectro específico",así como no debe limitarse a una trayectoria de propagación de luz física, sino que debe interpretarse ampliamente cubriendo también un campo de luz de un modo de propagación específico en un núcleo de fibra multimodo.

[0075] Por lo tanto, por ejemplo, la unidad de guiado fotónico puede estar configurada como una unidad de fibra, en la que los canales de campo de luz están asociados con múltiples núcleos de la misma fibra y/o múltiples modos de los mismos o diferentes núcleos (es decir, un núcleo ancho que soporta una pluralidad de modos ópticos espaciales). Considerando un ejemplo en el que al menos algunos de los múltiples canales de luz están asociados con diferentes trayectorias de luz (por ejemplo, diferentes fibras o diferentes núcleos de las mismas o diferentes fibras), cada una de tales trayectorias de luz tiene un primer extremo para recibir luz de entrada y un segundo extremo para proporcionar luz de salida. Debe entenderse que una fibra de múltiples núcleos, si se usa, está configurada adecuadamente para proporcionar un acoplamiento deseado entre los núcleos.

[0077] Según la presente invención, las unidades de entrada/salida 14, 16 están configuradas para recopilar luz de al menos una salida de una unidad de procesamiento fotónico y acoplar luz en una o más entradas asociadas de una o más unidades de procesamiento fotónico adyacentes, para implementar la tarea de procesamiento óptico relacionada. Tal como se muestra adicionalmente en la figura 1, el sistema 10 incluye una pluralidad deKconector(es) ópticos BC<1>...BCk, configurados como conectores de tipo puente (trayectorias de luz) para conectar los puertos de entrada/salida 14, 16 de unidades de procesamiento fotónico adyacentes. Tal como se describirá adicionalmente a continuación, la unidad de procesamiento fotónico está asociada con múltiples puertos de entrada y/o múltiples puertos de salida.

[0078] Cabe señalar que el conector óptico de tipo puente puede estar configurado para conectar la salida de una unidad de procesamiento fotónico a la entrada de la otra unidad de procesamiento fotónico (es decir, conexión óptica 1x1), o puede estar configurado para conectar la salida de una unidad de procesamiento fotónico a las entradas deG(G>2) unidades de procesamiento (es decir, conexiones ópticas 1xG). En el caso de conexiones ópticas 1xG, la unidad de entrada/salida relacionada está debidamente equipada con divisor(es) de luz y acoplador. Esto se muestra esquemáticamente a modo de ejemplo en la figura 1 que muestra que los conectores ópticos BCk-i y BCk están conectando el puerto de entrada 14/16 de la misma unidad de procesamiento fotónico BFBl a las salidas 14/16 de la unidad de procesamiento fotónico BFB<1-1>y BFB<i-2>, respectivamente. Para ello, el puerto de entrada/salida 14/16 de la unidad de procesamiento fotónico BFBi está equipado con un conjunto de divisor y acoplador de luz 15.

[0080] También debe observarse que el conector óptico puede estar configurado adecuadamente para conservar o no la polarización de la luz, según se requiera para una tarea de procesamiento óptico específica. La conservación de la polarización puede implementarse mediante el uso de estructuras o interfaces reflectantes, difusoras y/o refractivas.

[0082] En algunas realizaciones, el conector/acoplador óptico puede estar configurado para mantener el campo de luz de una o más longitudes de onda específicas (o intervalos de longitud de onda), así como puede estar equipado adecuadamente con un divisor selectivo de longitud de onda. Estas características pueden ser útiles para la función WDM.

[0084] Se hace referencia a las figuras 2A-2C que muestran a modo de ejemplo cómo están dispuestos los bloques básicos descritos anteriormente en el sistema de procesamiento / informático fotónico. Para facilitar la comprensión, se usan los mismos números de referencia para identificar componentes similares en todos los ejemplos descritos en el presente documento.

[0086] La figura 2A muestra esquemáticamente a modo de ejemplo una parte del sistema de procesamiento fotónico 10 formado por una pluralidad / matriz de las unidades de procesamiento descritas anteriormente (bloques funcionales básicos) BFB. La figura 2B muestra más específicamente que cada unidad de procesamiento BFB incluye la matriz de unidades de guiado fotónico PGU, y cada unidad de procesamiento BFB está asociada con las unidades/puertos de entrada/salida 14, 16. Tal como se muestra en la figura 2C, cada unidad de procesamiento BFB está rodeada por otras unidades de procesamiento (a menos que estén limitadas por el borde de todo el conjunto de unidades de procesamiento) y puede comunicarse con todas las unidades de procesamiento circundantes, ya sea recibiendo a partir de las mismas o transmitiendo a las mismas información transportada por luz, a través de los conectores en puente BC.

[0088] Preferentemente, la unidad de procesamiento tiene un cuerpo fotónico 18 de una sección transversal hexagonal que contiene la pluralidad de unidades de guiado fotónico PGU, y las facetas externas F1-F6 del hexágono se usan como puertos de entrada/salida 14, 16 en ambos lados del cuerpo 18, de modo que el cuerpo fotónico 18 está asociado con 12 puertos. Cada puerto puede implementar funciones de entrada o de salida y tanto el patrón de longitud de onda de señal como el patrón de amplificación pueden inyectarse en la unidad de procesamiento.

[0089] La luz procedente de cada puerto de salida entra en el conector en puente BC en forma de U. Este último, en su parte posterior 20, contiene cables electrónicos conectados a un controlador local que implementa el control de la luz de amplificación inyectada y la lectura de la luz de salida (que puede usarse para entrenamiento y calibración). El conector en puente BC puede incluir fibras multimodo y un dispositivo de ponderación por píxeles (por ejemplo, basado en el uso de tecnología DMD o LCD) que permite la reconfiguración manual flexible de la arquitectura del sistema, o un filtro fijo que reemplaza al flexible después de completarse el entrenamiento.

[0091] Por lo tanto, el sistema de procesamiento fotónico 10 forma una red de unidades de procesamiento de comunicación 15. El número de unidades de procesamiento 15 en la red y su conectividad están limitados por el número de núcleos fotónicos definidos por las unidades de guiado fotónico PGU. Sin embargo, son programables ya que dependen de los patrones de amplificación que se optimizan durante la fase de aprendizaje del sistema. El uso de la amplificación tanto para el cálculo como para el enrutamiento dentro de la unidad de procesamiento determina el flujo de luz desde los puertos de entrada a los puertos de salida. Al menos un puerto de entrada y al menos un puerto de salida están configurados por el patrón programable de amplificación. La divergencia y convergencia de datos dentro de los elementos de red también se rige por patrones de amplificación.

[0093] El enfoque de la presente invención proporciona una configuración de "tipo bastidor" de los bloques funcionales básicos BFB, así como de los sistemas de procesamiento 10, es decir, alta densidad de unidades de procesamiento dentro de un volumen limitado similar a un bastidor de comunicación (19 pulgadas de anchura, 2-2,5 m de altura). Esto permite obtener una realización compacta de un procesador de banda de datos ultraancha. Además, esta técnica permite una reconfiguración manual flexible de la arquitectura y la complejidad del procesamiento óptico.

[0094] Esto se ilustra esquemáticamente en la figura 3 que muestra un bastidor de red 30 configurado para alojar hardware de red. El sistema 10 está configurado como un panel de procesador formado por las unidades de procesamiento descritas anteriormente con los conectores de tipo puente asociados dispuestos en una relación paralela separada (disposición de matriz). Por lo tanto, el sistema 10 puede formar uno de los módulos de hardware del bastidor de red. Esto permite la configuración de bastidor de red que incluye uno o más sistemas de procesamiento fotónico 10, así como otros componentes electrónicos EC.

[0096] La figura 4 muestra esquemáticamente a modo de ejemplo la implementación de lo anterior en un sistema de procesamiento fotónico 10 configurado como un denominado bastidor de múltiples núcleos que utiliza una pluralidad de bloques funcionales básicos basados en fibra (unidades de procesamiento) BFB. La unidad de procesamiento BFB está configurada como un segmento de múltiples núcleos con el acoplamiento deseado entre los núcleos. Los conectores ópticos de tipo puente BC se proporcionan adecuadamente para acoplar los núcleos de salida de un segmento de fibra de entrada a los núcleos de entrada en el otro segmento de fibra.

[0098] Tal como se indicó anteriormente, cualquier tecnología adecuada conocida para la realización de comunicación basada en fibra o red neuronal (por ejemplo, red neuronal basada en múltiples núcleos) puede integrarse en la configuración de bastidor descrita anteriormente que permite obtener una realización compacta de una máquina de procesamiento de banda de datos ultraancha. Segmentos de fibra de tipo ladrillo (por ejemplo, múltiples núcleos de fibra de múltiples núcleos que tiene un acoplamiento adecuado entre los núcleos) de modo que la luz fluye desde los núcleos de entrada hacia los núcleos de salida, se pueden conectar en ladrillos adicionales mediante el uso de un conector óptico en forma de U BC que realiza el acoplamiento de núcleo a núcleo.

[0100] Por ejemplo, un dispositivo ajustable, por ejemplo, que incluye píxeles basados en cristal líquido, puede integrarse delante de los núcleos correctos para realizar modulación de amplitud/fase en los núcleos espaciales y/o construirse como filtro espectral también para permitir la atenuación de bandas espectrales deseadas por cada núcleo deseado en el ladrillo.

[0102] Generalmente, las unidades de procesamiento BFB que pueden usarse en un sistema de procesamiento fotónico 10 de la invención pueden ser de uno o más de los siguientes tipos: basadas en multimodo, basadas en múltiples núcleos (monomodo/multimodo o combinaciones de los mismos), vidrio dopado con erbio con o sin trazado con láser de femtosegundo (DLW), basadas en fibra de cristal fotónico, cristales fotónicos en 2D/3D.

[0104] Tal como se muestra esquemáticamente a modo de ejemplo en la figura 5A, el bloque básico puede estar configurado adecuadamente para definir una unidad de sincronización de entrada 14, 16. La unidad de sincronización de entrada 14/16 incluye una utilidad de bloqueo de reloj 40 configurada para implementar el bloqueo de reloj cliente-servidor. Para ello, se usan protocolos de ida y vuelta con referencia de reloj y contadores, proporcionando de ese modo que todas las fuentes de señal se puedan sincronizar con el mismo reloj. Además, la unidad de sincronización de entrada incluye preferentemente una utilidad de alineación de fase de reloj 42 que está configurada para proporcionar sincronización de retardo de fase de reloj óptico. Como se muestra en la figura, el mecanismo de retardo variable controlado ópticamente puede alinear la fase del reloj hasta cierto grado (varios puntos en porcentaje).

[0106] En algunas realizaciones, la unidad de entrada 14, 16 está configurada para implementar una conversión de longitud de onda. Para ello, las señales de frecuencias de DWDM separadas pueden convertirse en una sola longitud de onda para generar interacciones deseadas usando el fenómeno de modulación de fase cruzada. De manera similar, una única longitud de onda puede convertirse en varias frecuencias de DWDM para evitar la coherencia.

[0108] Esto se ilustra a modo de ejemplo en la figura 5B. La conversión de longitud de onda se puede lograr cuando dos señales de entrada Á<1>(entrada de intensidad modulada) y Á<2>(que es una señal de onda continua (señal CW), o de tren de pulsos, o de retorno a cero (RZ)) se inyectan juntas en un dispositivo activo, tal como un amplificador de fibra dopada con erbio (EDFA) o amplificador óptico semiconductor (SOA). Las señales de entrada compiten por recursos de ganancia (modulación de ganancia cruzada) o a través de procesos no lineales como el efecto Kerr (modulación de fase cruzada), mezclado de cuatro ondas, etc.

[0110] En algunas realizaciones, la unidad de salida 14, 16 está configurada para implementar una regeneración de pulso de salida. Esto puede incluir la amplificación basada en el amplificador de fibra dopada con erbio convencional y la multiplexación WDM usando ADC óptico de modulación de ganancia cruzada (conversión a señales digitales si es necesario). Los mismos procesos no lineales descritos anteriormente pueden usarse para imprimir una forma de pulso de señal sobre una fuente de onda continua o para regenerar un pulso existente. La unidad de procesamiento fotónico BFB adecuada para usarse en el sistema de la invención puede utilizar una linterna fotónica fabricada fusionando adiabáticamente varios núcleos monomodo para dar un núcleo multimodo. Esto proporciona interfaces de baja pérdida entre sistemas monomodo y multimodo, donde no se necesita un mapeo óptico preciso entre núcleos y modos individuales. En particular, puede ser una linterna fotónica [por ejemplo, T. A. Birkset al.,"The photonic lantern", Adv. Opt. Photonics 7, 107 (2015)], en la que componentes de entrada en abanico y de salida en abanico se empalman uno tras otro de modo que 7 o más fibras monomodo de entrada se estrechan adiabáticamente para formar una sección multimodo que luego se conecta adiabáticamente a 7 fibras monomodo de salida.

[0111] Pueden inyectarse datos en la unidad de procesamiento fotónico basada en fibra mediante transceptores (transmisores/receptores) acoplados por fibra convencionales, que también actúan como la unidad de recepción para la configuración. Pueden suministrarse pesos mediante atenuadores ópticos variables (VOA) controlados por ordenador, y la señal de salida se amplifica mediante un amplificador de fibra dopada con erbio (EDFA).

[0113] Se hace referencia a las figuras 6A-6F que muestran a modo de ejemplo la fabricación y el funcionamiento del sistema informático. En la figura 6A se muestra a modo de ejemplo una configuración / módulo, para una única unidad informática BFB. En la figura 6B se muestra una imagen del dispositivo multimodo fabricado correspondiente.

[0115] El conector óptico BC puede estar configurado para aplicar una modulación predeterminada a la luz que se introduce/emite hacia/desde la unidad de procesamiento fotónico BFB. Dicha modulación puede incluir patrón/patrones de amplificación lineal(es) y/o no lineal(es) de señales de luz.

[0117] Por ejemplo, el conector óptico BC proporciona luz de bombeo de una determinada longitud de onda para aplicar un patrón de amplificación no lineal a campos de luz que pasan a través de la(s) unidad(es) de guiado fotónico PGU respectiva(s). Las unidades de guiado fotónico pueden incluir material(es) de dopaje excitable(s) por la luz de bombeo (por ejemplo, aproximadamente / centrada en 980 nm) para provocar la emisión secundaria espontánea (aproximadamente / centrada en 1550 nm) resultante de la relajación de iones excitados del/de los material(es) de dopaje dando como resultado la amplificación requerida de la señal de luz.

[0119] El conector óptico BC puede incluir una unidad de ponderación configurada para aplicar ponderaciones a las señales ópticas aplicando así un patrón de amplificación lineal en los campos de luz.

[0121] Todas las fibras monomodo pueden unirse a una denominada sección central multimodo (entrada en abanico). Los datos de entrada ponderados por VDA pueden mezclarse en la sección central multimodo para generar la operación de acumulación múltiple (MAC). Las figuras 6C-6D muestran la propagación de modo y la diafonía de dos combinaciones de señales de entrada, demostrando señales mixtas a través del plano de salida. La figura 6C muestra la simulación de la propagación de modo a lo largo de la sección multimodo con una entrada en el núcleo central y una en la circunferencia, y la figura 6D muestra la simulación de la propagación de modo a lo largo de la sección multimodo con ambas entradas en la circunferencia.

[0123] La función de activación no lineal en la unidad informática BFB se proporciona por el amplificador de fibra. Para caracterizar la función de activación, se realizó una exploración de todas las combinaciones posibles de datos de entrada binarios y pesos, y se calculó la probabilidad de recibir un '1' lógico en la salida de la unidad. Entonces se trazó la función de activación como la probabilidad de salida frente a la suma de la entrada ponderada. El tipo de función de activación y su sesgo se ajustaron usando el nivel de amplificación del EDFA. La figura 6E muestra una función de activación de tipo sigmoide, y la figura 6F muestra una función de activación de tipo RelU.

[0125] Los inventores usaron los resultados de la unidad informática multimodo BFB para emular una neurona en un filtro ResNet y luego las redes neuronales ResNet18 y ResNet50 y simularon estas redes con las referencias establecidas de ImageNet y KITTI. El rendimiento de tal procesador multimodo se ilustra en la siguiente tabla:

[0127]

[0130] En la tabla, la notación 3xR representa 3 repeticiones que se promediaron para cada entrada de prueba. La precisión del sistema fue del 89,9-92,7%, un resultado comparable al de la tarjeta GPU de última generación NVidia Titan RTX (97,3%-103% de precisión relativa), con una aceleración de 1600 veces (tareas/segundo) y una eficiencia mejorada de 78 veces. El rendimiento estimado del sistema simulado es de 6,67105 TOP y una eficiencia de 14,8 TOP/vatio.

[0132] Tal como se indicó anteriormente, la unidad guiado fotónico PGU adecuada para usarse en la unidad de procesamiento de la invención puede basarse en una fibra dopada con Er, en particular una fibra de múltiples núcleos dopada con erbio (EDMF). Se ha demostrado anteriormente que la diafonía entre diferentes núcleos puede controlarse mediante el bombeo de cada núcleo, y que con una disposición y ponderación adecuadas, tales fibras pueden actuar como una red neuronal [E. Cohen, D. Malka, A. Shemer, A. Shahmoon, Z. Zalevsky y M. London, "Neural networks within multi-core optic fibres", Sci. Rep. 6, 29080 (2016)].

[0133] Los inventores han fabricado una EDMF con métodos similares a la unidad informática multimodo, agrupando en haces y estrechando fibras dopadas con Er. Con respecto a esto, se hace referencia a las figuras 7A-7D que muestran a modo de ejemplo la configuración y el funcionamiento de dicha unidad informática de EDMF 15.

[0134] Las figuras 7A y 7B muestran, respectivamente, una vista lateral y una sección transversal del cuerpo fotónico que contiene una matriz de unidades de guiado fotónico que tienen porciones/regiones dopadas con Er. La figura 7C muestra los espectros de la unidad informática con y sin acoplamiento entre diferentes núcleos. Para ello, los inventores insertaron señales con longitudes de onda cercanas a 1550 nm en los dos núcleos y bombearon con una longitud de onda de 980 nm en un núcleo, con diferentes combinaciones, y midieron el espectro de salida combinado. La salida muestra un acoplamiento significativo entre las dos señales de entrada. La figura 7D muestra la unidad informática basada en EDMF BFB, con la red realizada mediante dopaje de núcleo. Según esta arquitectura de red, la unidad informática incluye muchos núcleos /unidades de guiado fotónico PGU formadas por fibras dopadas Fdopadas y fibras no dopadas Fno dopadas. Por lo tanto, en algunas realizaciones, las unidades informáticas fotónicas basadas en fibra, que pueden servir como elementos estructurales en una red neuronal fotónica incoherente, pueden estar formadas por EDMF o por una combinación de EDMF y fibras no dopadas. Tales redes, aunque aún son grandes (1-3 bastidores de comunicación convencionales de 19'), producen capacidades de supercomputación y muestran una eficiencia computacional superior a 1000 TOP/vatio con una precisión comparable a sistemas de última generación.

Claims (14)

1. REIVINDICACIONES

1. Sistema informático fotónico que comprende:

una disposición de un número predeterminado de múltiples unidades de procesamiento fotónico (BFB<1>...BFBl) teniendo cada una sus puertos de entrada (14) y de salida (16) asociados y estando configurada y pudiendo funcionar para implementar una o más tareas de procesamiento óptico, comprendiendo cada una de dichas unidades de procesamiento fotónico una matriz de unidades de guiado fotónico (PGU<1>...PGUn) que forman juntas una pluralidad de canales de campo de luz configurados para definir condiciones de propagación para múltiples campos de luz asociados con dicha una o más tareas de procesamiento óptico; y

una pluralidad de conectores ópticos (BC<1>...BCk), estando cada uno de dichos conectores ópticos configurado como una trayectoria de luz para conectar los puertos de entrada y de salida para realizar el acoplamiento de campo de luz a campo de luz entre los puertos de entrada (14) y de salida (16) de unidades de procesamiento fotónico adyacentes en dicha disposición de las unidades de procesamiento fotónico;

proporcionando de ese modo dicho sistema informático fotónico una red de las múltiples unidades de procesamiento fotónico que se comunican entre sí a través de dichos conectores ópticos;

dichas unidades de procesamiento fotónico con los conectores ópticos están dispuestas en una relación paralela separada formando juntas un panel de procesador configurado como un módulo de hardware de un bastidor de red de tal manera que cada unidad de procesamiento, excepto las unidades de procesamiento en los bordes de la disposición, está rodeada por otras unidades de procesamiento y puede comunicarse con todas las unidades de procesamiento circundantes, ya sea recibiendo de las mismas o transmitiendo a las mismas información transportada por luz, a través de los conectores ópticos.

2. Sistema según la reivindicación 1, en el que los conectores ópticos (BC<1>...BCk) están configurados como conectores en puente en forma de U (BC).

3. Sistema según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dichos conectores ópticos (BC<1>...BCk) tienen al menos una de las siguientes configuraciones: los conectores ópticos comprenden al menos un conector óptico configurado para conectar el puerto de salida (16) de una unidad de procesamiento al puerto de entrada (14) de la unidad de procesamiento adyacente; los conectores ópticos comprenden al menos un conector óptico configurado para conectar el puerto de salida (16) de una unidad de procesamiento (BFB) a los puertos de entrada (14) de dos o más de otras unidades de procesamiento.

4. Sistema según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dichos conectores ópticos (BC<1>...BCk) comprenden al menos un conector óptico configurado para conectar el puerto de salida (16) de una unidad de procesamiento (BFB) a los puertos de entrada (14) de dos o más de otras unidades de procesamiento; comprendiendo dicho puerto de salida y puertos de entrada de las unidades de procesamiento conectados por dicho al menos un conector óptico elementos de división y acoplamiento de luz; comprendiendo dichos uno o más conectores ópticos al menos un conector óptico configurado para conservar una o más propiedades del campo de luz respectivo.

5. Sistema según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dichos uno o más conectores ópticos (BC<1>...BCk) comprenden al menos un conector óptico configurado para conservar una o más propiedades del campo de luz respectivo, incluyendo dichas una o más propiedades al menos una de polarización de luz y propiedades espectrales de luz.

6. Sistema según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por al menos uno de lo siguiente:

la una o más tareas de procesamiento que están realizándose por la unidad de procesamiento fotónico (BFB<1>...BFBl) se definen mediante patrones de amplificación aplicados de manera controlable en los campos de luz;

el conector óptico (BC<1>...BCk) junto con los puertos de entrada (14) y de salida (16) respectivos de las unidades de procesamiento fotónico están configurados y pueden funcionar para aplicar patrones de amplificación predeterminados en los campos de luz;

el número predeterminado de las unidades de procesamiento fotónico está determinado por un número de núcleos de propagación de luz definidos por las unidades de guiado fotónico (PGU).

7. Sistema según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicho número predeterminado

de las unidades de procesamiento fotónico (BFB<1>...BFB<1>) está determinado por un número de núcleos de propagación de luz definidos por dicha matriz de las unidades de guiado fotónico (PGU), estando dicho número de núcleos de propagación de luz predeterminado según patrones de amplificación optimizados.

8. Sistema según la reivindicación 6 o 7, en el que el conector óptico junto con los puertos de entrada (14) y de salida (16) respectivos de las unidades de procesamiento fotónico (BFB<1>...b FBi) están configurados y pueden funcionar para aplicar los patrones de amplificación predeterminados en los campos de luz, comprendiendo además el conector óptico un controlador local configurado y que puede funcionar para controlar el patrón de amplificación que se está aplicando y para controlar la lectura de la luz de salida.

9. Sistema según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que cada una de las unidades de procesamiento fotónico (BFB<1>...BFB<1>) comprende un cuerpo fotónico (15) configurado para definir dos o más de dichos puertos de entrada (14) y dos o más de dichos puertos de salida (16).

10. Sistema según la reivindicación 9, en el que el cuerpo fotónico (15) tiene una sección transversal hexagonal, cuyas facetas están asociadas con los puertos de entrada (14) y de salida (16).

11. Sistema según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por al menos uno de lo siguiente:

los puertos de entrada (14) comprenden al menos un puerto de entrada que comprende una unidad de sincronización de entrada que comprende al menos uno de lo siguiente: una utilidad de bloqueo de reloj (40) configurada y que puede funcionar para realizar el bloqueo de reloj cliente-servidor; y una utilidad de alineación de fase de reloj configurada y que puede funcionar para realizar la sincronización de retardo de fase de reloj óptico;

los puertos de entrada (14) comprenden al menos un puerto de entrada configurado y que puede funcionar para realizar la conversión de longitud de onda; y

los puertos de salida (16) comprenden al menos un puerto de salida configurado y que puede funcionar para realizar la regeneración de la señal de salida.

12. Sistema según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que las unidades de guiado fotónico (PGU) están configuradas para definir los campos de luz de uno o más de los siguientes tipos: campos de luz multimodo, campos de luz de múltiples núcleos definidos por canales de luz monomodo, multimodo o combinación de ambos, campos de luz que se propagan a través de núcleos dopados con erbio, campos de luz que se propagan a través de núcleos basados en fibra de cristal fotónico, campos de luz confinados en cristales fotónicos en 2D o 3D.

13. Sistema según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que las unidades de procesamiento fotónico comprenden al menos una unidad de procesamiento fotónico que comprende una linterna fotónica fabricada fusionando adiabáticamente varios núcleos monomodo para dar un núcleo multimodo.

14. Bastidor de red que aloja múltiples módulos de hardware que comprenden uno o más sistemas informáticos fotónicos configurados como el sistema según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13.