FPGA引入光芯片設計是未來矩陣計算新模式？

FPGA是可以先購買再設計的“萬能”芯片

FPGA現場可編程門陣列，是在硅片上預先設計實現的具有可編程特性的集成電路，它能夠按照設計人員的需求配置為指定的電路結構，不必依賴由芯片制造商設計和制造的ASIC芯片。

廣泛應用在原型驗證、通信、汽車電子、工業控制、航空航天、數據中心等領域FPGA 硬件三大指標包括：制程、門級數及SERDES速率，配套EDA軟件工具同樣重要，比較FPGA產品可以從技術指標入手。

從FPGA內部結構來看，主要包括：可編程輸入/輸出單元（I/O）、可編程邏輯塊（LC）、 完整的時鐘管理（CMT）、嵌入塊式 RAM（BRAM）、布線資源、內嵌的底層功能單元和專用硬件模塊等。

根據賽靈思披露的數據，一個LUT6等效1.6個 LC，一個 LC對應幾十到上百“門”，1000萬門約等于10萬LC，即100K CLB級別FPGA。

與ASIC不同的是，在選購FPGA產品不僅考慮硬件參數，配套EDA軟件的性能也同樣重要。

目前國內廠商高端產品在硬件性能指標上均與賽靈思高端產品有較大差距。

相對于ASIC，FPGA具有3點優勢：（1）可編輯，更靈活、（2）產品上市時間短，節省了 ASIC 流片周期、（3）避免一次性工程費用，用量較小時具有成本優勢。

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新型光學芯片已被發現

近日，研究人員開發了一種易于使用的光學芯片，可以自我配置實現多種功能，他們實現的正實值矩陣計算使芯片具有應用于需要光神經網絡的應用程序的潛力。

光神經網絡可用于各種數據密集型任務，如圖像分類、手勢解釋和語音識別，此前已經開發出可以在制造后重新配置以執行不同功能的光子集成電路。

然而，它們往往難以配置，因為用戶需要了解芯片的內部結構和原理，并單獨調整其基本單元。

中國華中科技大學研究團隊負責人董建績說：“我們的新芯片可以被視為一個黑盒子，這意味著用戶不需要了解其內部結構就可以改變其功能。他們只需要設定一個訓練目標，在計算機控制下，芯片將自我配置，以實現基于輸入和輸出的預期功能?！?/p>

可實現任何所需應用的電子集成電路

在《光學材料快報》雜志上，研究人員描述了他們的新芯片，該芯片基于一種名為馬赫—曾德爾干涉儀（MZI）的波導光學組件網絡，該網絡以四邊形模式排列。

研究人員表明，該芯片可以自我配置，以執行光路由、低損耗光能分裂和用于創建神經網絡的矩陣計算。

在未來，預計將實現更大規模的片上可編程波導網絡。隨著進一步的發展，它可能會實現與現場可編程門陣列（FPGA）相媲美的光學功能——在制造后可以重新編程以執行任何所需應用的電子集成電路。

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創建可編程MZI網絡

芯片上的四邊形MZI網絡可能對涉及光神經網絡的應用有用，這些網絡是由相互連接的節點創建的。

為了有效地使用光學神經網絡，網絡必須使用已知數據進行訓練，以確定每對節點之間的權重，這項任務涉及矩陣乘法。

片上矩陣操作通常使用前向傳播MZI網絡或微環陣列來實現。受電子學中FPGA的啟發，希望使用MZI拓撲網絡結構，允許矩陣操作的前饋和反饋傳播。

開發的芯片可以通過調整電極的電壓來重新配置，這在四邊形網絡中創建了各種光傳播路徑。研究人員集成了一種梯度下降算法來加快代價函數的收斂速度，該函數在每次訓練迭代中衡量網絡的準確性。

在每次訓練迭代后，芯片更新所有可調電極的電壓，而不是單一變量的值，這進一步提高了代價函數的收斂速度，有助于使訓練過程更快。

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該芯片在未來的價值

該芯片可用于執行所謂的正實數矩陣計算，驗證了其在四邊形 MZI 網絡中的可行性。芯片的訓練結果與目標矩陣之間的誤差很小。

光路由可以在數據中心的處理器和內存單元等設備之間有效地路由光信號。與電氣方法相比，光學方法有助于在處理大量信號時減少延遲和功耗。

此外，該芯片還用于低損耗光功率分離，將單個輸入光分離成在其輸出端口具有成比例能量的光束。

而且在分裂過程中的能量損失保持在1.16 dB以下，低損耗光能量分裂可用于將信號發送到芯片上的不同組件，例如處理器和光電探測器，這有利于同時處理輸入信號。

結尾：

研究人員目前正在努力改進該芯片，以實現更多的矩陣運算功能，同時將其用于光學神經網絡之外的矩陣計算的其他應用。

審核編輯：劉清