Integrated photonic neural networks (IPNNs) are emerging as promising successors to conventional electronic AI accelerators as they offer substantial improvements in computing speed and energy efficiency. In particular, coherent IPNNs use arrays of Mach-Zehnder interferometers (MZIs) for unitary transformations to perform energy-efficient matrix-vector multiplication. However, the underlying MZI devices in IPNNs are susceptible to uncertainties stemming from optical lithographic variations and thermal crosstalk and can experience imprecisions due to non-uniform MZI insertion loss and quantization errors due to low-precision encoding in the tuned phase angles. In this paper, we, for the first time, systematically characterize the impact of such uncertainties and imprecisions (together referred to as imperfections) in IPNNs using a bottom-up approach. We show that their impact on IPNN accuracy can vary widely based on the tuned parameters (e.g., phase angles) of the affected components, their physical location, and the nature and distribution of the imperfections. To improve reliability measures, we identify critical IPNN building blocks that, under imperfections, can lead to catastrophic degradation in the classification accuracy. We show that under multiple simultaneous imperfections, the IPNN inferencing accuracy can degrade by up to 46%, even when the imperfection parameters are restricted within a small range. Our results also indicate that the inferencing accuracy is sensitive to imperfections affecting the MZIs in the linear layers next to the input layer of the IPNN.


翻译:综合光学神经网络(IPNN)正在成为常规电子AI加速器(IPNN)的有希望的不准确性替代器,因为它们在计算速度和能源效率方面提供了大幅度的改进。特别是,一致的IPNNS使用Mach-Zehnder干涉仪(MZIs)阵列来进行统一变异,以进行节能矩阵-矢量倍增。然而,IPNNS中基本的MZI装置很容易受到光学岩浆变化和热交叉交谈产生的不确定性的影响,并可能由于调整阶段角度的低精度编码而出现不准确性差错。在本文件中,我们第一次系统地用自下而上的方法来描述IPNNS内这种不确定性和不精确性(统称不完善)的影响。我们表明,根据受影响部件的调定参数(例如,阶段角度),它们插入的不准确性、其实际位置、以及不精确性的性质和分布。为了提高可靠性,我们第一次用IPNNN的精确性衡量了这种精确性,我们在IPNN的精确度下可以显示,在极级的降解中,在我们的精确度下,我们可以显示,在IPNNNB的精确度下可以显示,在极值下可以显示,在极值的降解中可以显示,在级中,在极值下可以显示的精确性方面,在极值的精确性。

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