美國(guó)斯坦福大學(xué)的研究人員已經(jīng)證明，可以直接在光學(xué)芯片上訓(xùn)練人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。這一重大突破表明，光學(xué)電路可以實(shí)現(xiàn)基于電子的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵功能，進(jìn)而可以以更便宜、更快速和更節(jié)能的方式執(zhí)行語音識(shí)別、圖像識(shí)別等復(fù)雜任務(wù)。

據(jù)光學(xué)領(lǐng)域權(quán)威期刊Optica的報(bào)道，美國(guó)斯坦福大學(xué)的研究人員已經(jīng)證明，可以直接在光學(xué)芯片上訓(xùn)練人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。這一重大突破表明，光學(xué)電路可以實(shí)現(xiàn)基于電子的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵功能，進(jìn)而可以以更便宜、更快速和更節(jié)能的方式執(zhí)行語音識(shí)別、圖像識(shí)別等復(fù)雜任務(wù)。

“相比使用數(shù)字計(jì)算機(jī)，使用光學(xué)芯片進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算更有效，能夠解決更復(fù)雜的問題，”斯坦福大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)的負(fù)責(zé)人范汕洄（Shanhui Fan）說：“這將增強(qiáng)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的能力，例如，使其能夠執(zhí)行自動(dòng)駕駛汽車所要求的任務(wù)，或者能夠?qū)陬^問題做出適當(dāng)?shù)幕卮?。這將以我們現(xiàn)在無法想象的方式改善我們的生活。”

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是人工智能的一種，它使用連接的單元，以類似大腦處理信息的方式來處理信息。使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行復(fù)雜的任務(wù)，例如語音識(shí)別，需要訓(xùn)練算法對(duì)輸入進(jìn)行分類，比如對(duì)不同的單詞進(jìn)行分類。

雖然光學(xué)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)最近已經(jīng)得到實(shí)驗(yàn)證明，但此前的研究是在傳統(tǒng)的數(shù)字計(jì)算機(jī)上使用一個(gè)模型進(jìn)行訓(xùn)練步驟，然后將最終的設(shè)置導(dǎo)入光學(xué)電路。在最新Optica期刊上，斯坦福大學(xué)的研究人員報(bào)告了一種新方法，通過實(shí)現(xiàn)“反向傳播”算法（這是訓(xùn)練傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)方法）的光學(xué)模擬，直接在設(shè)備中訓(xùn)練人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

圖：研究人員已經(jīng)證明，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以通過光學(xué)電路（圖中藍(lán)色矩形）進(jìn)行訓(xùn)練。在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，有若干個(gè)這樣的電路連接在一起。激光輸入（綠色）的編碼信息由光波導(dǎo)（黑色）通過芯片。芯片使用可調(diào)波束分離器（光波導(dǎo)中彎曲的部分）執(zhí)行對(duì)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要的操作。分離器將兩個(gè)相鄰的波導(dǎo)連接在一起，并可通過調(diào)整光學(xué)移相器（紅色和藍(lán)色發(fā)光物體）的設(shè)置進(jìn)行調(diào)整。分離器的作用就像“旋鈕”，可以在特定任務(wù)的訓(xùn)練過程中進(jìn)行調(diào)整。Credit: Tyler W. Hughes, Stanford University

該論文的第一作者Tyler W. Hughes說：“使用物理設(shè)備而不是計(jì)算機(jī)模型進(jìn)行訓(xùn)練，可以使訓(xùn)練過程更精確。”“而且，由于訓(xùn)練步驟是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)中非常耗費(fèi)計(jì)算力的部分，因此，在光學(xué)電路上執(zhí)行這個(gè)步驟，對(duì)于改進(jìn)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算效率、速度和功耗都是至關(guān)重要的?！?/p>

基于光的網(wǎng)絡(luò)

雖然神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理通常使用傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)進(jìn)行，但仍有大量的工作要專門設(shè)計(jì)針對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算優(yōu)化的硬件?；诠鈱W(xué)的設(shè)備非常吸引人，因?yàn)樗鼈兛梢圆⑿械貓?zhí)行計(jì)算，同時(shí)比電子設(shè)備消耗的能量更少。

在這項(xiàng)新研究中，研究人員通過設(shè)計(jì)一種光學(xué)芯片來復(fù)制傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方式，克服了實(shí)現(xiàn)全光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（all-optical neural network）的一個(gè)重大挑戰(zhàn)。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以被視為一個(gè)帶有許多旋鈕的黑盒。在訓(xùn)練期間，每個(gè)旋鈕都要轉(zhuǎn)動(dòng)一點(diǎn)，然后測(cè)試系統(tǒng)，查看算法的性能是否得到改善。

“我們的方法不僅可以幫助預(yù)測(cè)旋鈕轉(zhuǎn)動(dòng)的方向，還可以預(yù)測(cè)每個(gè)旋鈕轉(zhuǎn)動(dòng)的方向，從而更接近預(yù)期的性能?！盚ughes說，“我們的方法大大加快了訓(xùn)練速度，特別是對(duì)于大型網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)榭梢圆⑿械孬@得每個(gè)旋鈕的信息?！?/p>

片上訓(xùn)練

新的訓(xùn)練協(xié)議在具有可調(diào)諧光束分離器的光學(xué)電路運(yùn)行，通過改變光學(xué)移相器的設(shè)置進(jìn)行調(diào)整。具體來說，該方法是將編碼有待處理信息的激光束發(fā)射到光學(xué)電路中，由光波導(dǎo)通過光束分離器進(jìn)行傳輸，像旋鈕一樣進(jìn)行調(diào)整，以訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法。

在新的訓(xùn)練協(xié)議中，激光首先通過光學(xué)電路輸入。退出設(shè)備后，計(jì)算出與預(yù)期結(jié)果的差值。然后，這些信息被用來產(chǎn)生一個(gè)新的光信號(hào)，這個(gè)信號(hào)通過光網(wǎng)絡(luò)以相反的方向發(fā)送回來。

通過測(cè)量此過程中每個(gè)分束器周圍的光強(qiáng)度，研究人員展示了如何并行地檢測(cè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的性能隨著每個(gè)分束器設(shè)置而變化的情況。移相器的設(shè)置可以根據(jù)這些信息進(jìn)行更改，這個(gè)過程可以重復(fù)，直到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生期望的結(jié)果。

研究人員用光學(xué)模擬測(cè)試了他們的訓(xùn)練技術(shù)，方法是教算法執(zhí)行復(fù)雜的任務(wù)，比如在一組點(diǎn)中找出復(fù)雜的特征。他們發(fā)現(xiàn)光學(xué)實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的執(zhí)行類似。

該研究的負(fù)責(zé)人范汕洄說：“我們的研究表明，你可以利用物理定律來實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)科學(xué)算法?！薄巴ㄟ^在光學(xué)領(lǐng)域?qū)@些網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，證明光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以利用光學(xué)器件來實(shí)現(xiàn)某些功能。”

研究人員計(jì)劃進(jìn)一步優(yōu)化這個(gè)系統(tǒng)，并希望用它來實(shí)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)任務(wù)的實(shí)際應(yīng)用。他們?cè)O(shè)計(jì)的通用方法可用于各種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，也可以用于其他應(yīng)用。