Silicon-photonic neural networks (SPNNs) have emerged as promising successors to electronic artificial intelligence (AI) accelerators by offering orders of magnitude lower latency and higher energy efficiency. Nevertheless, the underlying silicon photonic devices in SPNNs are sensitive to inevitable fabrication-process variations (FPVs) stemming from optical lithography imperfections. Consequently, the inferencing accuracy in an SPNN can be highly impacted by FPVs -- e.g., can drop to below 10% -- the impact of which is yet to be fully studied. In this paper, we, for the first time, model and explore the impact of FPVs in the waveguide width and silicon-on-insulator (SOI) thickness in coherent SPNNs that use Mach-Zehnder Interferometers (MZIs). Leveraging such models, we propose a novel variation-aware, design-time optimization solution to improve MZI tolerance to different FPVs in SPNNs. Simulation results for two example SPNNs of different scales under realistic and correlated FPVs indicate that the optimized MZIs can improve the inferencing accuracy by up to 93.95% for the MNIST handwritten digit dataset -- considered as an example in this paper -- which corresponds to a <0.5% accuracy loss compared to the variation-free case. The proposed one-time optimization method imposes low area overhead, and hence is applicable even to resource-constrained designs


翻译:硅-光速神经网络(SPNN)已成为电子人工智能加速器(AI)的有希望的继承者,其影响尚有待充分研究。在本文中,我们第一次在波向宽和硅离心(SOI)中进行模型探索FPV的影响,在使用光线透视仪(Mizis)的同步SPN(FPV)中,对不可避免的制造工艺变异(FPV)十分敏感。因此,SPNN的推导精度可以受到FPV的高度影响 -- -- 例如,可以降到10%以下 -- -- 其影响尚有待充分研究。在本文中,我们首次在波向导宽度和升温节节节节节能中进行模型和探索FPV(SOI)在波向导宽度和离心电离心电路(SOI)中,FPVNFPV(S)在波向下的不同规模的SPNNP(SP)的影响。在使用马赫-泽德干涉仪仪(MIS(MIS)中,最精确度(MIS)中,最精确度(以最佳的缩缩缩缩缩缩缩缩的MIS-I)方法比重)中,可以将数据比重的MISD-I(以Ax)的缩定为缩缩缩缩缩缩成一)。

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