具有超速潜伏期的集成大规模光子加速器

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　　为了实现可以实现目标性能运行上述启发式反复发行算法的系统，必须在高集成形式的挑战和一致的设备性能的挑战中支持大量的矩阵大小。图2显示了我们在这项工作中开发的高度集成的64×64光子算术计算引擎（PACE）。如图2a所示，该系统旨在有效地实现上一节中描述的启发式复发算法。使用光子积分电路（PIC）和集成在包装中的系统（SIP）中的集成的电子集成电路（EIC）选择混合体系结构，其中1×64个光学数据和64×64重量模块执行OMAC操作。EIC手柄控制和迭代逻辑中的相邻模拟和数字电路。信号通过光学调节器的高速电向转换交换，并通过光电探测器进行光学转换。EIC中的数字电路处理数据输入，读取和逻辑操作以及时钟和控制。嵌入式静态随机访问存储器（SRAM）旨在管理数据存储。初始向量s，指图1B中的ST，重量数据将来自串行外围界面（SPI）总线的相应向量驱动器和权重驱动器注入，以驱动向量和权重调节器。预设阈值将发送到比较器。然后，系统启动迭代循环。在独立的迭代中，通过光子通道进行了处理后的矢量结果，将其发送到比较器以生成新的状态向量S'，指的是图1B中的ST+1。新的向量和相应的特征值存储在SRAM中，并将其发送回起始向量，以重新驱动下一个迭代中的向量调节器。总共5个进行000次迭代以确保解决方案的收敛性（参见方法和扩展数据图1）。　　为了建立一个大于64的矩阵尺寸的OMAC系统，需要10,000多个光学组件和10,000多个针对路由信号的引脚，如图2B所示。因此，需要与高级包装的高集成。传统的外形尺寸具有单独的光学组件和通过单独板连接的电气组件，由于组件大小和集成密度的水平而失败，这受到集成光子学中包装的物理限制的限制。针对高度集成外形的PACE系统建立在PCIE大小的卡上，并集成了PIC和EIC以形成SIP。完整的系统通过SPI通过模块（SOM）板上的系统进行控制，并通过以太网IO与主机进行通信（图2C）。为了获得高密度信号连接，PACE系统使用带有翻转芯片键合的2.5D高级包装解决方案来组装PIC，EIC和底物，如图2D所示。插图显示了带有纤维的sip的顶视图，将图片与驱动芯片的外部激光器连接（另请参见补充说明A有关集成详细信息）。　　EIC是基于28 nm商业CMOS技术设计的，图片是建立在单个芯片中的16,000多个光子组件中的商业65 nm硅光子技术上构建的，如图2E所示。光子电路是在不连贯的光架构中设计的，具有一系列数据模块，权重模块和接收器阵列，这些模块和接收器阵列可通过光学调节器和光电视球38,39实现。阵列中的四个外部连续波激光器通过高性能的光栅耦合器耦合到连接的纤维阵列中的电路。系统中每个激光通道的工作能力从子摩托车到约30 mW（请参见补充注释a）。如图2F所示，平均耦合效率在1,310 nm附近的中心波长处达到约-1 dB。1×64二进制矢量通过数字到Analogue转换器（DACS）和EIC中的驱动器送入PIC中的向量调制器阵列，以实现光信号中的明亮和黑暗状态，对应于矢量中的1和0状态。　　然后将调制向量信号发送到64×64矩阵权重模块，以进一步调制以实现等效线性矩阵向量乘法。向量和权重数据通过两组不同的光学马赫德调制器进行调制，如图2G所示，具有典型的提取调制器光谱。矢量调制器阵列包括64个相同的单位，以1 GHz运行的Mach-Zehnder调制器，具有非返回到零调制方案40（有关所有关键的光学设备信息，请参见补充注释A和扩展数据图2）。　　由于矩阵重量是针对给定的ISIN问题固定的，因此权重调制器模块的设计与矢量调制器数组的设计不同。为了实现可重新配置的重量单位，重量调节器被优化以较低的频率为10 MHz，同时通过相邻的DAC和驱动程序以更高的位分辨率驱动。相应设计的调制精度为8位。输出光学信号在光电检测器阵列上转换并合并，并通过变速器放大器（TIAS）放大。成千上万的集成锗光电探测器细胞可以作为接收器阵列收集调制信号并满足光学信号添加功能。如图2H所示，光电探测器的响应性经过统计测试，以高度一致。最后，将放大的信号与EIC域中的8位比较器进行比较，并转换为下一次迭代的反复矢量生成的向量。在操作中，系统可以达到约8.19个顶部的吞吐量。能源效率的测量约为4.21个顶部W − 1，包括激光器（包括激光器）的2.38顶部（请参阅补充注释a）。为了确保计算准确性并减轻系统校准中的挑战，所有集成的组件均设计为规格非常紧密的变化。如果没有严格控制的设备变化，信噪比（SNR）及其计算精度将严重降低。如图2i所示，当系统扩展到更多组件和较大的基质大小时，预计影响会更大。与普遍报道的光子设计41相比，在PACE系统中，平均而言，SNR的改进超过12 dB（参见补充说明A和B以及扩展数据图3）。　　为了充分实施算法中解释的启发式体系结构，PACE系统需要在电路中引入可控制的噪声，以实现有效的位倒换，从而实现对解决方案的有效搜索。我们的系统中存在几种可控噪声的来源。附加的噪声主要来自激光，模拟驱动程序，TIA以及数字控制电路中设计的数字噪声。光子电路产生的噪声要小得多。为了增加噪声驱动的位翻转，同时保持系统的平衡，从而导致收敛，SNR通过输入激光功率，接收器TIA增益配置和数字域中的数字噪声注入来积极调整。

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