光と電子が密に融合する集積回路のアーキテクチャと設計技術

光与电子紧密结合的集成电路架构与设计技术

• 批准号: 20H04155
• 负责人: 石原 亨
• 金额: $ 11.23万
• 依托单位: Nagoya University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 财政年份: 2020
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2020-04-01 至 2023-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20H04155/
• 关键词: 計算機システム; 光集積回路; 低消費電力設計; 設計最適化

本応募課題は、光と電子が密に融合する光電融合集積回路のアーキテクチャと設計技術を構築することにより、光電融合集積回路における遅延-電力-面積のトレードオフ限界を明確にし、光電融合集積回路の最適な構成を明らかにするものである。上記目的のために、下記の３項目に取り組んだ。1）回路設計段階で光電融合集積回路の遅延、電力、面積を正確に見積もるモデルを構築する。2）光電融合集積回路に対する回路アーキテクチャレベルの設計最適化技術を構築する。3）光電融合集積回路をニューラルネットなどの非ノイマン型演算回路に適用し性能を評価する。上記３項目を目的として、初年度（2020年度）は、光電融合集積回路の回路遅延、消費電力、回路面積の見積もりモデルを作成した。特に、光集積回路の電力消費メカニズムは電子回路とは大きく異なるため、電子回路には存在しない光の分岐や合流干渉にともなう電力損失を明らかにし、アーキテクチャレベルの消費電力モデルを構築した。2021年度は応募者が過去に開発した光信号の多重化による並列演算技術および各種低消費電力化手法を光ニューラルネットワーク回路に適用する手法の検討を行った。多重化に関しては既に波長分割多重方式（WDM: Wavelength Division Multiplexing）を活用した並列演算方式を論文発表しているが、2021年度は波長分割多重方式を光ニューラルネットワークに適用して波長数に比例した並列数で積和演算を実行する方法を検討した。さらに、1年目（2020年度）に構築した遅延・電力・面積のモデルに基づいて、光電融合集積回路を最適に設計するアルゴリズムを検討した。

The は 応 offering subject, light と electronic が dense に fusion す る photoelectricity integration integrated circuit の ア ー キ テ ク チ ャ と を design technology to construct す る こ と に よ り collection of integrated circuit, photoelectric fusion に お け る 遅 delay - power - area is の ト レ ー ド オ フ limit を clear に し collection of integrated circuit, photoelectric fusion の optimum な constitute を Ming ら か に す る も の で あ る. The purpose of the previous item is ために, and the next item is に. Take the んだ group. 1) The circuit design stage is で. The photoelectric fusion integration circuit is 遅. The extension, power, and area are を. The correct に can be seen in the integration. Youdaoplaceholder0 るモデ を を construction する. 2) The optoelectronic fusion integrated circuit に for the する circuit ア に キテ キテ チャレベ チャレベ チャレベ <s:1> design optimization technology を construction する. 3) The application <s:1> performance を evaluation of the photoelectric fusion integration circuit をニュ ラ ラ ラ ネットな ネットな <s:1> <s:1> and the non-ノ and <s:1> calculus circuit に 価する. The purpose of the above 3 items を is と て て, in the first year (2020) と, the extension of the optoelectronic fusion integration circuit <s:1> circuit 遅, the power consumption, and the circuit area <s:1> can be seen in the accumulation and <s:1> モデ を を を are made into た. に, light collection of integrated circuit power consumption メ の カ ニ ズ ム は electronic circuit と は big き く different な る た め, electronic circuit に は exist し な い light の branching や confluence dry involved に と も な う power loss を Ming ら か に し, ア ー キ テ ク チ ャ レ ベ ル の consumption power モ デ ル を build し た. 2021 annual は 応 raise those が past に open 発 し た optical signal の multiple に よ る tied for calculus technology お よ び low consumption power technique を light ニ ュ ー ラ ル ネ ッ ト ワ ー ク loop に applicable す る gimmick の 検 line for を っ た. The multiplexization に relates to the て て and に wavelength segmentation multiple methods (WDM) : Where Division Multiplexing) を use し を た tied for calculus paper 発 table し て い る が, 2021 annual は を light Wavelength Division multiple way ニ ュ ー ラ ル ネ ッ ト ワ ー ク に applicable し て Wavelength number proportion に し た tied for number で product and calculus を line be す る method を beg し 検 た. さ ら に, 1 year (2020) に build し た 遅 delay, power, area is の モ デ ル に base づ い て collection of integrated circuit, photoelectric fusion を optimal design す に る ア ル ゴ リ ズ ム を beg し 検 た.

项目成果

A Synthesis Method Based on Multi-Stage Optimization for Power-Efficient Integrated Optical Logic Circuits

一种基于多级优化的低功耗集成光逻辑电路综合方法

• DOI: 10.1587/transfun.2020kep0018
• 发表时间: 2021
• 期刊: IEICE Transactions on Fundamentals of Electronics, Communications and Computer Sciences
• 作者: MATSUO Ryosuke;SHIOMI Jun;ISHIHARA Tohru;ONODERA Hidetoshi;SHINYA Akihiko;NOTOMI Masaya
• 通讯作者: NOTOMI Masaya

Energy efficient OEO conversion and its applications to photonic integrated systems

高能效OEO转换及其在光子集成系统中的应用

• 发表时间: 2022
• 作者: Akihiko Shinya;Kengo Nozaki;Shota Kita;Tohru Ishihara;Shingo Matsuo;Masaya Notomi,
• 通讯作者: Masaya Notomi,

集積ナノフォトニクスに基づく光ニューラルネットワークを対象とした回路アーキテクチャ探索

基于集成纳米光子学的光神经网络电路架构探索

• 发表时间: 2020
• 期刊: 第33回 回路とシステムワークショップ論文集
• 作者: 服部直樹;増田豊;石原亨;塩見準;新家昭彦;納富雅也
• 通讯作者: 納富雅也

Neural Network Calculations at the Speed of Light Using Optical Vector-Matrix Multiplication and Optoelectronic Activation

使用光学矢量矩阵乘法和光电激活进行光速神经网络计算

• DOI: 10.1587/transfun.2020kep0016
• 发表时间: 2021
• 期刊: IEICE Transactions on Fundamentals of Electronics, Communications and Computer Sciences
• 作者: HATTORI Naoki;SHIOMI Jun;MASUDA Yutaka;ISHIHARA Tohru;SHINYA Akihiko;NOTOMI Masaya
• 通讯作者: NOTOMI Masaya

An Optical Accelerator for Deep Neural Network Based on Integrated Nanophotonics

• DOI: 10.1109/icrc2020.2020.00017
• 发表时间: 2020-12
• 期刊: 2020 International Conference on Rebooting Computing (ICRC)
• 作者: Jun Shiomi;T. Ishihara;H. Onodera;A. Shinya;M. Notomi