The ever-growing deep learning technologies are making revolutionary changes for modern life. However, conventional computing architectures are designed to process sequential and digital programs, being extremely burdened with performing massive parallel and adaptive deep learning applications. Photonic integrated circuits provide an efficient approach to mitigate bandwidth limitations and power-wall brought by its electronic counterparts, showing great potential in ultrafast and energy-free high-performance computing. Here, we propose an optical computing architecture enabled by on-chip diffraction to implement convolutional acceleration, termed optical convolution unit (OCU). We demonstrate that any real-valued convolution kernels can be exploited by OCU with a prominent computational throughput boosting via the concept of structral re-parameterization. With OCU as the fundamental unit, we build an optical convolutional neural network (oCNN) to implement two popular deep learning tasks: classification and regression. For classification, Fashion-MNIST and CIFAR-4 datasets are tested with accuracy of 91.63% and 86.25%, respectively. For regression, we build an optical denoising convolutional neural network (oDnCNN) to handle Gaussian noise in gray scale images with noise level {\sigma} = 10, 15, 20, resulting clean images with average PSNR of 31.70dB, 29.39dB and 27.72dB, respectively. The proposed OCU presents remarkable performance of low energy consumption and high information density due to its fully passive nature and compact footprint, providing a highly parallel while lightweight solution for future computing architecture to handle high dimensional tensors in deep learning.


翻译:不断增长的深层学习技术正在给现代生活带来革命性的变化。然而,常规计算结构的设计是用来处理连续和数字程序,在进行大规模平行和适应性的深层学习应用时负担过重。光学集成电路提供了一种有效的方法来减轻由电子对口单位带来的带宽限制和电墙,在超快和无能源的高性能计算中表现出巨大的潜力。在这里,我们提议了一种光学计算结构,由芯片分解所促成,以实施卷速加速,称为光学凝聚单位(OCU)。我们证明,任何真正估价的光心内核圈都可以由OCU加以利用,通过结构再校准概念进行显著的计算性能增强。光学集电路电路提供了光学的光化变异变异性模型,在OCU-CUR31(oDDD)下,通过高水平的OCN-CUR-CRMLA 图像, 以高水平提供高水平的CRIS 和高水平的CRIS-B 图像。

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