基于光信号在线掩码及电信息注入下VCSELs复用网络的储备池计算
批准号:
62065015
项目类别:
地区科学基金项目
资助金额:
36.0 万元
负责人:
侯玉双
依托单位:
学科分类:
光学信息获取、显示与处理
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
侯玉双
中文摘要
储备池计算(RC)是可在硬件实施的非传统信息处理方法,能高效处理语音识别等复杂任务,其中基于半导体激光器(SL)实施的延时型RC(SL-DRC)因算法简单、速率快、能耗低而倍受关注。已报道的SL-DRC在输入层均采用离线掩码方式而不能摆脱昂贵的数据注入设备,也不能进行实时的掩码操作;储备池通常采用单个SL带延迟反馈环的结构,无法突破单非线性节点RC的速率瓶颈(目前在MSa/s量级)。本项目拟构建光信号在线掩码及电信息注入下基于垂直腔面发射激光器(VCSELs)复用网络的RC系统,研究低成本、在线掩码,高数据处理速率(≥1GSa/s)的SL-DRC。具体为:在输入层研究基于SL在光反馈下产生优质光掩码信号实现在线掩码,基于现场可编程门阵列注入数据;在储备池层构建基于VCSELs的复用网络,突破SL-DRC的速率瓶颈。本项目有望开发出在线掩码的高速RC系统,促进RC在人工智能领域的应用。
英文摘要
Reservoir computing (RC) is a non-traditional information processing method, which can be implemented in hardware. It can efficiently perform complex tasks such as speech recognition. The delay-based RC implemented by semiconductor laser (SL-DRC) has attracted much attention due to its simple algorithm, fast speed, and low power consumption. The previously reported SL-DRCs adopt offline mask method at the input layer, which cannot get rid of expensive data injection equipment, nor can realize masking operation in real time. Meanwhile, the reservoirs usually adopt a structure of single SL with delay feedback loop, which cannot breakthrough the speed bottleneck (about MSa/s) of RC system with single nonlinear node. In this project, we plan to construct a RC system of multiplexed network composed by vertical-cavity surface-emitting lasers (VCSELs) under optical signal online mask and electrical information injection. We plan to investigate the SL-DRC with low-cost online mask and high data processing rate (≥1GSa/s). Firstly, at the input layer, we investigate online mask by high-quality optical mask signal based on a SL subject to optical feedback, and inject the data into reservoir by a field programmable gate array. Secondly, at the reservoir layer, we plan to construct a multiplexed network based on VCSELs to breakthrough the data processing rate bottleneck of SL-DRC. Through the implementation of this project, it is expected to develop a high-speed RC system with online mask, which will promote the application of RC in the field of artificial intelligence.
储备池计算(RC)是可在硬件实施的非传统信息处理方法,近年来基于半导体激光器构建RC系统在时间序列预测,语音识别等任务的处理中取得良好性能和备受关注。研究基于光信号在线掩码及电信息注入下垂直腔面发射激光器(VCSEL)的RC对于构建速率高,能耗低,性能好的非传统信息处理系统具有重要意义。我们在基于VCSEL构建RC系统,不同掩码及不同结构对系统性能影响,系统应用几方面开展了研究。主要研究内容及取得的结果有:(1)基于VCSEL构建时延RC系统,成功应用于中草药识别任务,错误率最低为1.7%,处理速度达到2GSa/s。研究发现,偏振旋转反馈(PROF)在系统鲁棒性和识别性能上优于偏振平行反馈(PPOF),并通过并行处理方案显著提升了识别速率。(2)研究并行光电RC系统提升手写数字识别的处理速度,准确率达到97.8%,处理速度可达每秒1×10^6个数字。基于HOG特征的预处理方法在识别性能和参数鲁棒性上表现最佳,验证了系统对参数失配的鲁棒性。此外,基于光电RC系统实现了苹果叶片病害的高精度识别,在序列扩展掩码及矩阵变换掩码下识别准确率分别达到99%和97%。(3)提出了基于电信息注入的并行RC系统,深入研究了两个并行RC系统中关键参数对系统性能的影响。在理论研究基础上实验验证了并行系统能够显著提升数据处理速率。(4)研究了通过调制反馈光实现信息注入的方案,系统无需外部光源,且通过马赫-曾德尔调制器增强了非线性变换能力,验证了该系统在Santa Fe时间序列预测和NARMA10任务中的良好性能。项目的实施在研发高速RC系统并促进RC在人工智能领域的应用取得了一些进展和突破。
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