硅基光电子技术在深度学习加速中的应用：CrossLight介绍

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引言随着深度神经网络（DNNs）在各种应用中变得越来越复杂和普遍，对高效硬件加速器的需求比以往任何时候都更为迫切。在后摩尔定律时代，传统电子加速器面临着基本限制，在带宽和能效方面造成瓶颈。硅基光电子技术应运而生，可为深度学习加速提供节能、超高带宽和低延迟的解决方案。
' S4 T, N  X- q6 M, N7 N4 T! c本文介绍CrossLight，新型硅基光电子神经网络加速器，通过跨层设计方法解决光计算中的关键挑战。将探讨光计算的基础知识、CrossLight的架构以及与最先进加速器的性能比较。
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# Z% d2 x$ O& T5 Y( R& `3 v6 y- }光计算基础
6 z6 W) K% D2 R: |- f在深入了解CrossLight之前，让我们先了解深度学习光计算的基础知识。光加速器通常使用广播和权重（B&W）配置来执行矩阵-矢量乘法，这对DNN中的卷积（CONV）和全连接（FC）层都是必不可少的。
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* E" }# C+ S! a1 k6 E! z) L图1显示了基于非相干广播和权重（B&W）的光电子神经元配置。
在此配置中，输入值通过调制器印刻在不同波长的光上。然后，这些波长被合并并分成多个分支，每个分支由微环谐振器（MRs）加权。加权信号通过光电探测器求和，完成矩阵-矢量乘法运算。
这种设置中的关键组件是微环谐振器（MR）。MR可以调谐以改变特定波长的能量，有效地在光域中实现乘法运算。
CrossLight架构
1 X' \3 Z4 [$ K- L9 S# ~7 R6 B( u3 ZCrossLight采用跨层方法优化光加速，解决设备、线路和架构层面的挑战。

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图2展示了CrossLight非相干硅基光电子神经网络加速器的高级概述。
设备级优化在设备级别，CrossLight引入了优化的MR设计，对制造工艺变化（FPVs）更具弹性。通过全面的设计空间探索，研究人员发现，使用400纳米的输入波导宽度和800纳米的环形波导宽度可以将由FPV引起的不期望的谐振波长偏移减少70%。
  \$ R- E7 h- O8 E线路级优化为解决紧密排列的MR之间的热串扰问题，CrossLight采用了结合热光（TO）和电光（EO）调谐的混合调谐方法。与传统的仅TO调谐方法相比，这种方法可以实现更快的操作速度和更低的功耗。
此外，CrossLight采用了称为热特征分解（TED）的方法，可以集体调谐MR组中的所有MR，有效地以较低的功耗消除热串扰效应。

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图3显示了10个制造的MR块中相邻MR对之间距离可变时的相位串扰比和调谐功耗。
架构级优化CrossLight为CONV和FC层加速引入了单独的矢量点积（VDP）单元，认识到这些层的不同计算需求。这种分离允许更高效地处理这两种类型的层。
% D2 e9 x& s" J: L( E% e该架构还在VDP单元内实现了波长重用策略，减少了所需的激光器总数，从而降低了功耗。通过将较大的矢量分解为较小的矢量，并在VDP单元内的多个分支上执行并行计算，CrossLight在并行性和激光器功率需求之间实现了平衡。
$ L. @( {: _+ H$ e" x性能分析为评估CrossLight的性能，研究人员使用四个不同复杂度的DNN模型进行了广泛的模拟。
分辨率分析CrossLight的一个主要优势是能够实现高分辨率计算。虽然一些光加速器限制在2-4位分辨率，但CrossLight可以为其MR组实现高达16位的分辨率。

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# j" A; [) k, s# k图4演示了四个DNN模型在权重和激活的量化（分辨率）范围从1位到16位时的推理准确性。
8 _# f9 v6 v2 s0 N# v/ B7 k# \3 F这种高分辨率对于维持模型准确性很重要，特别是对于在具有挑战性的数据集上训练的复杂模型。
7 ?1 X7 Q$ m( D( K8 W( g: j/ d敏感性分析研究人员进行了敏感性分析，以确定CrossLight的最佳配置，改变CONV和FC层加速器的VDP单元的数量和复杂度。

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图5是散点图，显示了各种CrossLight配置的平均每秒帧数（FPS）与平均每比特能耗（EPB）与面积的关系。
0 R  Z! @! J  M4 T最佳配置是基于最高的FPS/EPB比率选择的，平衡了性能和能效。
与最先进加速器的比较CrossLight与两个著名的光加速器（DEAP-CNN和Holylight）以及几个电子加速器（包括GPU和CPU）进行了比较。
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图6比较了CrossLight各变体与光电子和电子加速器平台的功耗。
结果显示，CrossLight，特别是在优化配置（Cross_opt_TED）中，实现了比其他光加速器和传统CPU/GPU平台更低的功耗，尽管功耗仍高于一些专用电子加速器。

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图7比较了光电子DNN加速器的每比特能耗（EPB）值。
$ K9 D  ]- b0 v1 M0 g1 S在能效方面，CrossLight显著优于其他光加速器，平均比DEAP-CNN和Holylight分别低1544倍和9.5倍的EPB。
CrossLight的性能优势源于全面考虑了光系统中的各种损耗和串扰，以及在设备、线路和架构层面采用新方法来减轻影响。
结论CrossLight展示了光电子神经网络加速器中跨层优化的潜力。通过解决硬件栈多个层面的挑战，与最先进的光电子和电子加速器相比，在能效和每瓦性能方面实现了显著改进。
随着硅基光电子制造工艺的不断成熟，我们可以期待设备调谐成本、损耗和激光器功率开销进一步降低。这一趋势可能会加强光域加速器在深度学习推理任务中的地位。
CrossLight的成功突出了在设计下一代硬件加速器时采用全面、跨层方法的重要性。随着我们推动人工智能和机器学习的边界，这种创新架构将在实现更高效和强大的计算系统方面发挥关键作用。
参考文献[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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