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JP7824554B2 - Machine Learning Systems - Google Patents
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JP7824554B2 - Machine Learning Systems - Google Patents

Machine Learning Systems

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JP7824554B2 JP2024565565A JP2024565565A JP7824554B2 JP 7824554 B2 JP7824554 B2 JP 7824554B2 JP 2024565565 A JP2024565565 A JP 2024565565A JP 2024565565 A JP2024565565 A JP 2024565565A JP 7824554 B2 JP7824554 B2 JP 7824554B2
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Description

本発明は、深層ニューラルネットワークを用いた機械学習のための演算を光回路を用いて実行する機械学習システムに関する。 The present invention relates to a machine learning system that uses optical circuits to perform calculations for machine learning using deep neural networks.

深層ニューラルネットワーク(DNN)を用いた機械学習による情報処理に注目が集まっている。DNNは、非線形応答をする多数のニューロンがシナプスによって結合された大規模な非線形ネットワークであり、特にニューロンを多層状に配置したネットワークを用いたディープラーニング技術が広く応用されている。本技術を用いることで、画像・音声の認識やロボット制御、人工的なデータ生成など多岐に渡る領域で優れた性能を発揮することが報告されている。一方、層数やニューロン数(ノード数)の増加に伴って、必要とする非線形行列演算の規模が爆発的に増大するため、推論や学習に要する時間や電力の増大が大きな課題となっている。近年、このような課題を解決する手法として、光回路を演算素子として利用する情報処理技術に注目が集まっている。 Information processing using machine learning with deep neural networks (DNNs) is gaining attention. DNNs are large-scale nonlinear networks in which numerous neurons with nonlinear responses are connected by synapses. Deep learning techniques, particularly those using networks with multi-layered neuron configurations, have been widely applied. This technology has been reported to demonstrate superior performance in a wide range of fields, including image and speech recognition, robot control, and artificial data generation. However, as the number of layers and neurons (nodes) increases, the scale of the required nonlinear matrix operations explodes, posing a major challenge: the increased time and power required for inference and learning. In recent years, information processing techniques using optical circuits as computing elements have attracted attention as a method to solve these issues.

一般的なDNNに基づく機械学習では、L層目の信号x(L)に対して、以下の式(1)の変換を施すことによって出力を得る。
(L+1)=f(ω(L)(L)) (1)
In general machine learning based on DNN, an output is obtained by applying the transformation of the following equation (1) to the signal x (L) in the Lth layer.
x (L+1) = f(ω (L) x (L) ) (1)

ここで、fはtanhやrelu等の非線形関数であり、x(L),x(L+1)はそれぞれM,N次元の入出力ベクトル、ω(L)は重み行列と呼ばれるM行N列の変換行列である。機械学習においては、重み行列ω(L)を学習、更新することで、所望の最終出力を得る。 where f is a nonlinear function such as tanh or relu, x (L) and x (L+1) are M- and N-dimensional input/output vectors, respectively, and ω (L) is an M-row, N-column transformation matrix called a weight matrix. In machine learning, the desired final output is obtained by learning and updating the weight matrix ω (L) .

光回路を利用した光演算に基づくDNNでは、この非線形行列積の一部もしくは全体を光学的に実行する。光演算装置の従来技術としては、非特許文献1に記載されているような光演算装置が知られている。図1は、従来技術の光演算装置を示す図である。この光演算装置10は、ディジタル回路11と、光干渉系アレー12と、ディジタル回路からのディジタル信号をアナログ信号に変換する、入力信号x用の高速ディジタルアナログ変換器(以下、「DAC」という。)13、重みw用のDAC14と、光干渉系アレーからのアナログ出力信号yをディジタル信号に変換する高速アナログディジタル変換器(以下「ADC」という。)15と、入力電気信号を光信号に変換するE/O変換器16と、出力光信号を電気信号に変換するO/E変換器17とで構成されている。光干渉系アレーとして多アレーの光干渉系を配置することで、入力信号xの強度を干渉系の位相値に応じて変換する。この際の出力光信号yは、式(2)のように記述できる。
In a DNN based on optical computation using optical circuits, part or all of this nonlinear matrix multiplication is performed optically. A known example of a conventional optical computation device is the optical computation device described in Non-Patent Document 1. Figure 1 illustrates a conventional optical computation device. This optical computation device 10 is composed of a digital circuit 11, an optical interferometer array 12, a high-speed digital-to-analog converter (hereinafter referred to as "DAC") 13 for an input signal x that converts a digital signal from the digital circuit into an analog signal, a DAC 14 for a weight w, a high-speed analog-to-digital converter (hereinafter referred to as "ADC") 15 that converts an analog output signal y from the optical interferometer array into a digital signal, an E/O converter 16 that converts an input electrical signal into an optical signal, and an O/E converter 17 that converts an output optical signal into an electrical signal. By arranging multiple optical interferometer arrays as the optical interferometer array, the intensity of the input signal x is converted according to the phase value of the interferometer. The output optical signal y can be expressed as shown in Equation (2).

式(2)は前述のDNNにおける演算式(1)のω(L)(L)を光学的に実行することに相当する。非線形変換に関しては、非特許文献1の場合は、受信光を電気信号に変換した後にディジタル処理にて施しているが、干渉系の後段に、何らかの非線形光学素子を配置することで、非線形演算を含めた式(1)を完全に実行することが可能である。式(1)においては、行列積ω(L)(L)が演算数を律速するため、非線形演算は出力光信号を光電変換後に実行する形態であっても有用である。式(1)における重みの学習は、この形態では、干渉系の設定位相値を学習、更新することで実現される。干渉系の位相値は、例えば熱光学効果によって導波路の屈折率を変化させることで動的に変更することが可能である。 Equation (2) corresponds to optically executing ω (L) x (L) in the equation (1) in the aforementioned DNN. Regarding nonlinear conversion, in the case of Non-Patent Document 1, the received light is converted into an electrical signal and then digitally processed. However, by placing some kind of nonlinear optical element downstream of the interference system, it is possible to fully execute equation (1), including nonlinear operations. In equation (1), the matrix product ω (L) x (L) determines the number of operations, so even if the nonlinear operation is performed after the output optical signal is photoelectrically converted, it is still useful. In this embodiment, learning the weights in equation (1) is achieved by learning and updating the set phase value of the interference system. The phase value of the interference system can be dynamically changed, for example, by changing the refractive index of the waveguide using the thermo-optic effect.

上述の光回路の動作帯域は極めて広帯域(>THz)であるために、原理的に式(2)の計算を電子回路よりも高い周波数で演算することが可能である。また、光の空間・波長等の並列性を利用することで、演算を並列的に実行することが可能である。したがって、光演算回路は、既存の電子回路を用いる演算素子に比べて、電力や計算速度に優れるといった特徴を発現させることが可能である。 The operating bandwidth of the optical circuit described above is extremely wide (> THz), so in principle it is possible to calculate equation (2) at a higher frequency than with electronic circuits. Furthermore, by taking advantage of the parallelism of light's space, wavelength, etc., it is possible to perform calculations in parallel. Therefore, optical calculation circuits can exhibit features such as superior power consumption and calculation speed compared to calculation elements that use existing electronic circuits.

実際的な利用形態を考える場合、図1のように入力xと出力yは、ディジタル電子回路へと入出力されることが望ましい。その理由は、光信号の状態では、データの保存や、前後処理をはじめとする汎用的な演算、データ操作が困難なためである。従って、図1に示すように、DACやADC、およびEO変換器やOE変換器が必要となる。このように、従来の光演算技術においては、光信号は、ディジタル回路からDACやEO変換を介して生成されるため、演算回路の演算速度は、DAC/ADCやEO/OE変換器の動作帯域によって制限される。一般にEO/OE変換器に比較してDAC/ADCの動作帯域は低速であるため、特にDAC/ADCの動作帯域が主要な演算速度の制限要因となっていた。 In practical applications, it is desirable for input x and output y to be input/output to a digital electronic circuit, as shown in Figure 1. This is because, in the optical signal state, it is difficult to store data and perform general-purpose calculations and data manipulation, including pre- and post-processing. Therefore, as shown in Figure 1, a DAC, ADC, EO converter, and OE converter are required. As such, in conventional optical calculation technology, optical signals are generated from digital circuits via DACs and EO converters, so the calculation speed of the calculation circuit is limited by the operating bandwidth of the DAC/ADC and EO/OE converter. In general, the operating bandwidth of DACs/ADCs is slower than that of EO/OE converters, so the operating bandwidth of the DAC/ADC in particular was the main limiting factor in calculation speed.

また、従来の光演算装置は、メモリを光干渉系の位相値という別のメモリに移し、 その干渉系上で演算するといったIn-memory計算機の一種としての構成であった。 In addition, conventional optical computing devices were configured as a type of in-memory computer, in which the memory was transferred to a separate memory called the phase value of the optical interference system, and calculations were performed on that interference system.

Y. Shen et al., "Deep learning with coherent nanophotonic circuits", Nature photonics, Vol.11, P441-447,2017年6月.<URL:https://www.nature.com/articles/nphoton.2017.93?TB_iframe=true&width=921.6&height=921.6>Y. Shen et al., "Deep learning with coherent nanophotonic circuits", Nature photonics, Vol.11, P441-447, June 2017. D. P. Lopes et al., "Multipurpose self-configuration of programmable photonic circuits", NATURE COMMUNICATIONS,2020年12月11日, (2020)11:6359, p.1-11.<URL: https://www.nature.com/articles/s41467-020-19608-w>D. P. Lopes et al., "Multipurpose self-configuration of programmable photonic circuits", NATURE COMMUNICATIONS, December 11, 2020, (2020)11:6359, p.1-11.<URL: https://www.nature.com/articles/s41467-020-19608-w> Kaname Jinguji and Manabu Oguma, "Optical Half-Band Filters", JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, 2000年4月, VOL.18, NO.2, p.252-259.Kaname Jinguji and Manabu Oguma, "Optical Half-Band Filters", JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, April 2000, VOL.18, NO.2, p.252-259. M. Nakajima et al. "Optical Arbitrary Waveform Processing of Over 100 Spatial Channels for Optical Performance Monitoring", JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, 2019年1月15日, VOL. 37, NO. 2, p.291-299. <URL:https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/8465965>M. Nakajima et al. "Optical Arbitrary Waveform Processing of Over 100 Spatial Channels for Optical Performance Monitoring", JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, January 15, 2019, VOL. 37, NO. 2, p.291-299. <URL:https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/8465965>

本開示は、このような従来技術の問題を解決するためになされるものであり、DAC/ADCによる光演算のボトルネックを解消可能な機械学習システムを提供することを目的の一つとする。また、光重み発生器と光演算コアとを分離して配置し、光重み発生器が生成する重み光信号を光ファイバにより光演算コアに配信するよう構成した機械学習システムを提供することを目的の一つとする。 The present disclosure is made to solve these problems of the prior art, and one of its objectives is to provide a machine learning system that can eliminate the bottleneck of optical computation caused by DAC/ADC. Another objective is to provide a machine learning system in which the optical weight generator and the optical computation core are arranged separately, and the weighted optical signal generated by the optical weight generator is distributed to the optical computation core via optical fiber.

本開示の一実施態様は、このような目的を達成するために、機械学習システムとして、以下のような構成のものである。 To achieve this objective, one embodiment of the present disclosure is a machine learning system having the following configuration:

1つまたは複数の重み波長多重光を生成する光重み発生器であって、重みが記憶されたメモリと、メモリに記憶された重みを波長方向と時間方向にマッピングすることで重み波長多重光を生成する1つまたは複数の光任意波形整形器とを含んで構成される光重み発生器と、電子回路と光回路ユニットとを含んで構成される光演算コアと、を含む機械学習システムである。光重み発生器と光演算コアとは、1つまたは複数の光ファイバにより接続されている。光回路ユニットは、電子回路からの入力信号が示す値と、光重み発生器からの重み波長多重光が示す重みとの積和演算を行うように構成されている。電子回路と光回路ユニットとの信号の入出力は、光回路ユニットに入力される重み波長多重光の信号帯域よりも低い動作帯域のアナログディジタル変換器および/またはディジタルアナログ変換器を介して行われる。 This machine learning system includes an optical weight generator that generates one or more weighted wavelength-multiplexed lights, the optical weight generator comprising a memory in which weights are stored and one or more optical arbitrary waveform shapers that generate weighted wavelength-multiplexed lights by mapping the weights stored in the memory in the wavelength direction and the time direction, and an optical calculation core comprising an electronic circuit and an optical circuit unit. The optical weight generator and the optical calculation core are connected by one or more optical fibers. The optical circuit unit is configured to perform a product-sum operation between the value indicated by an input signal from the electronic circuit and the weight indicated by the weighted wavelength-multiplexed light from the optical weight generator. Signals are input and output between the electronic circuit and the optical circuit unit via an analog-to-digital converter and/or a digital-to-analog converter with an operating bandwidth lower than the signal bandwidth of the weighted wavelength-multiplexed light input to the optical circuit unit.

図1は、従来技術の光演算装置を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing a conventional optical computing device. 図2は、本開示の実施の形態の機械学習システムの構成を示す図である。FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of a machine learning system according to an embodiment of the present disclosure. 図3は、本開示の実施の形態の光重み発生器に含まれる光AWGの第一の構成例を示す図である。FIG. 3 is a diagram illustrating a first configuration example of an optical AWG included in the optical weight generator according to the embodiment of the present disclosure. 図4は、本開示の実施の形態の光重み発生器に含まれる光AWGの第二の構成例を示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a second configuration example of an optical AWG included in the optical weight generator according to the embodiment of the present disclosure. 図5は、本開示の実施の形態の光重み発生器に含まれる光AWGの第三の構成例を示す図である。FIG. 5 is a diagram illustrating a third configuration example of an optical AWG included in the optical weight generator according to the embodiment of the present disclosure. 図6は、本開示の実施の形態のアップクロック型光演算回路の概略構成を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing a schematic configuration of an up-clocked optical arithmetic circuit according to an embodiment of the present disclosure. 図7は、本開示の実施の形態のダウンクロック型光演算回路の概略構成を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing a schematic configuration of a down-clocked optical arithmetic circuit according to an embodiment of the present disclosure. 図8は、本開示の実施の形態の2層の全結合パーセプトロン(MLP)を実装する光回路ユニットの構成を例示する図である。FIG. 8 is a diagram illustrating a configuration of an optical circuit unit that implements a two-layer fully connected perceptron (MLP) according to an embodiment of the present disclosure. 図9は、本開示の実施の形態の回帰型ニューラルネットワーク(RNN)モデルを実装する光回路ユニットの構成を例示する図である。FIG. 9 is a diagram illustrating a configuration of an optical circuit unit that implements a recurrent neural network (RNN) model according to an embodiment of the present disclosure. 図10は、本開示の実施の形態の機械学習システムの配置構成例を示す図である。FIG. 10 is a diagram illustrating an example of the layout configuration of a machine learning system according to an embodiment of the present disclosure.

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。
図2を参照して、本開示の機械学習システムの一例としての実施の形態を説明する。図2は、本開示の実施の形態の機械学習システム20の構成を示す図である。本実施の形態では、図2に示すように、上記の式(2)における重みωijを波長、時間、空間的に多重化して配信する光重み発生器21と式(1)を実行する素子22(以下、「光演算コア」という。)が分離しており、その間を1または複数の光ファイバ23で連結している。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
An embodiment of a machine learning system according to the present disclosure will be described as an example with reference to Figure 2. Figure 2 is a diagram showing the configuration of a machine learning system 20 according to an embodiment of the present disclosure. In this embodiment, as shown in Figure 2, an optical weight generator 21 that multiplexes and distributes the weights ω ij in the above equation (2) in terms of wavelength, time, and space, and an element 22 (hereinafter referred to as an "optical calculation core") that executes equation (1) are separate and connected by one or more optical fibers 23.

光重み発生器21は、重みωijを記憶・保持するメモリ24と、メモリ上の重み信号ωijを波長λ方向と時間t方向へマッピングすることで、重み波長多重(WDM)光信号を生成する1または複数の光任意波形成型器25(Optical Arbitrary Waveform Generator、以下「光AWG」という。)とを含む。光重み発生器21には、その他、メモリ24や光AWG25を制御するプロセッサや入出力インターフェースなどが含まれて構成されている。光重み発生器は、波長多重光信号として重みを光ファイバ23により配信する。後述するように、光演算コア22では、ネットワークトポロジーに応じて、複数の行列演算を実行する形態があり得る。従って、光重み発生器21は、複数の重み波長多重光信号を並列的に配信する機能があることが望ましい。これは即ち、空間多重(SDM)された波長多重(WDM)光信号を配信する機能であると言い換えることもできる。この実施形態においては、重み多重光信号の変調速度は、後述する光演算コアのDAC/ADCのサンプリングレートよりも高速であることが望ましい。この時の光AWGの変調速度(すなわち動作速度)とDAC/ADCのサンプリングレート(すなわち動作速度)の比率を以降オーバサンプリング比(OS比)と呼ぶ。 The optical weight generator 21 includes a memory 24 that stores and holds the weights ω ij and one or more optical arbitrary waveform generators 25 (hereinafter referred to as "optical AWGs") that generate a weighted wavelength-division multiplexed (WDM) optical signal by mapping the weighted signal ω ij stored in the memory in the wavelength λ direction and the time t direction. The optical weight generator 21 also includes a processor and an input/output interface that control the memory 24 and the optical AWG 25. The optical weight generator distributes the weights as a wavelength-division multiplexed (WDM) optical signal via an optical fiber 23. As described below, the optical computation core 22 may perform multiple matrix operations depending on the network topology. Therefore, it is desirable for the optical weight generator 21 to have the function of distributing multiple weighted wavelength-division multiplexed optical signals in parallel. This can also be rephrased as the function of distributing a spatially multiplexed (SDM) wavelength-division multiplexed (WDM) optical signal. In this embodiment, the modulation speed of the weighted multiplexed optical signal is desirably faster than the sampling rate of the DAC/ADC of the optical computation core, which will be described later. The ratio of the modulation speed (i.e., operating speed) of the optical AWG to the sampling rate (i.e., operating speed) of the DAC/ADC at this time is hereinafter referred to as the oversampling ratio (OS ratio).

本実施形態の機械学習システムを構成する光演算コア22は、例えば、入出力データを保持するメモリとプロセッサを含むPC26と、ディジタル信号である入力データをアナログ信号へ変換するDAC27と、光回路ユニットからの出力データをディジタル信号へ変換するADC28と、DACからのアナログRF信号を用いて、光電的に演算する光回路ユニット30とによって構成されている。光回路ユニット30とPC26とは、DAC27とDAC28を含むFPGAまたはDAC/ADCボード29と例えばPCIEやEthernet(登録商標)等から構成される通信インターフェース31を介して接続されている。光回路ユニット30では、PC26などの電子回路からDAC27を介して入力される入力信号が示す値と光重み発生器からの重み波長多重光が示す重みとの積和演算を行うように構成されている。 The optical calculation core 22 constituting the machine learning system of this embodiment is composed of, for example, a PC 26 including a memory and processor for storing input and output data, a DAC 27 that converts digital input data into an analog signal, an ADC 28 that converts output data from the optical circuit unit into a digital signal, and an optical circuit unit 30 that performs photoelectric calculations using the analog RF signal from the DAC. The optical circuit unit 30 and PC 26 are connected via an FPGA or DAC/ADC board 29 including the DAC 27 and DAC 28, and a communication interface 31 composed of, for example, PCIE or Ethernet (registered trademark). The optical circuit unit 30 is configured to perform a product-sum calculation between the value indicated by the input signal input via the DAC 27 from an electronic circuit such as the PC 26 and the weight indicated by the weighted wavelength-multiplexed light from the optical weight generator.

本実施形態の光演算コア22においては、DAC27は、入力信号のベクトル次元数M分、ADC28は出力信号のベクトル次元数K分だけ並列化させる必要があるが、それぞれのサンプリングレート(以下、「動作帯域」ともいう。)は、前述の光AWGの重み信号よりも低速であって構わない。後述するように、この低速な入力信号は、本実施の形態の光回路ユニットにて光信号の帯域に動作帯域がアップコンバージョンされて、式(1)に基づく演算がなされる。そして、演算の最終出力は再び低速な帯域の信号にダウンコンバージョンされる。これによって、DACやADCの動作帯域に制限されず、光信号の帯域での演算が可能になるといった優れた機能が得られる。 In the optical calculation core 22 of this embodiment, the DAC 27 must parallelize M vector dimensions of the input signal, and the ADC 28 must parallelize K vector dimensions of the output signal, but their respective sampling rates (hereinafter also referred to as "operating bandwidth") may be slower than the weighting signal of the optical AWG described above. As will be described later, this low-speed input signal is upconverted to the optical signal bandwidth by the optical circuit unit of this embodiment, and calculations based on equation (1) are performed. The final output of the calculations is then downconverted again to a low-speed bandwidth signal. This provides excellent functionality, such as enabling calculations in the optical signal bandwidth without being limited by the operating bandwidths of the DAC and ADC.

(光重み発生器)
つぎに、図3ないし5を参照して、この実施形態の機械学習システムを構成する光重み発生器に含まれる光AWG25の具体的な構成例を説明する。
(Light Weight Generator)
Next, a specific example of the configuration of the optical AWG 25 included in the optical weight generator that constitutes the machine learning system of this embodiment will be described with reference to FIGS.

光AWGの第一の構成例としては、SDM-WDM光変調器を用いる方式があげられる。SDM-WDM光変調器35は、例えば、マッハツェンダー変調器を空間ch×波長ch分並列化させることで実現される。図3に示す例は、入力される重みに応じて光信号の位相を変調させる光変調器361、362・・・36Mと各光変調器からの出力光を多重化する波長MUX37を含んで構成されている。この例は、光変調器を波長ch分並列化した構成を示しているが、図3の構成を複数個用いて空間ch分並列化させることができる。この第一の構成例は、市販のWDM変調器等を用いて実現可能であるといった実装容易性に関する優れた特徴を持つ。一方で、光多重信号の信号帯域は、光変調器の動作帯域に依存するためOS比を十分に高められない、空間ch×波長ch数分の光変調器アレーが依然として必要であるといったデメリットがある。 A first example of an optical AWG configuration is a system using an SDM-WDM optical modulator. The SDM-WDM optical modulator 35 is realized, for example, by parallelizing Mach-Zehnder modulators for the number of spatial channels x wavelength channels. The example shown in Figure 3 includes optical modulators 36 1 , 36 2 , ... 36 M that modulate the phase of an optical signal according to the input weight, and a wavelength MUX 37 that multiplexes the output light from each optical modulator. While this example shows a configuration in which optical modulators are parallelized for the number of wavelength channels, multiple configurations such as those shown in Figure 3 can be used to parallelize for the number of spatial channels. This first example configuration has excellent ease of implementation, as it can be implemented using commercially available WDM modulators, etc. However, it has disadvantages such as the fact that the signal bandwidth of the optical multiplexed signal depends on the operating bandwidth of the optical modulator, making it difficult to sufficiently increase the OS ratio, and that an optical modulator array for the number of spatial channels x wavelength channels is still required.

続いて、図4を参照して、光AWGの第二の構成例を説明する。光AWGの第二の構成例としては、光パルスδ(t)を導波路型光フィルタに導入する方式があげられる。図4に示す光AWGの第二の構成例40は、パルス光源41から入力されたパルス光を波長分割する波長DEMUX42と、波長分割された各波長光が入力される導波路型光フィルタ431、432・・・43Mと、各導波路型光フィルタからの出力光を多重化する波長MUX44を含んで構成されている。図4では、光フィルタを波長ch分並列化した場合の構成の例を示している。例えば導波路型の光フィルタは、図4の吹き出し中に示す光フィルタ43のように構成することで、任意の設計されたインパルス応答を生成することができる。光フィルタ43は、光カプラ46で分岐され、光カプラ49で結合される光導波路471、472、473、・・・47iにより構成されている。光導波路471、472、473、・・・47iは、それぞれ、遅延差が順次θずつ増加する遅延線を構成している。また、各光導波路には、位相器481、482、483、・・・48iが設けられている。なお、各光導波路に必要に応じて可変減衰器を備えるようにしてもよい。この各光導波路471ないし47iの位相器によって、重みづけが行われる。この構成によって、光パルスδ(t)は下記の変換を受ける。
Next, a second configuration example of an optical AWG will be described with reference to FIG. 4 . The second configuration example of an optical AWG is a system in which an optical pulse δ(t) is introduced into a waveguide-type optical filter. The second configuration example 40 of the optical AWG shown in FIG. 4 includes a wavelength demultiplexer 42 that wavelength-divides pulse light input from a pulse light source 41, waveguide-type optical filters 43 1 , 43 2 , ... 43 M to which the wavelength-divided wavelength light is input, and a wavelength multiplexer 44 that multiplexes the output light from each waveguide-type optical filter. FIG. 4 shows an example of a configuration in which optical filters are parallelized for the number of wavelength channels. For example, a waveguide-type optical filter can generate any designed impulse response by configuring it as shown in the optical filter 43 in the bubble in FIG. 4 . The optical filter 43 is composed of optical waveguides 47 1 , 47 2 , 47 3 , ... 47 i that are branched by an optical coupler 46 and coupled by an optical coupler 49. The optical waveguides 47 1 , 47 2 , 47 3 , ..., 47 i each constitute a delay line in which the delay difference increases sequentially by θ. Furthermore, each optical waveguide is provided with a phase shifter 48 1 , 48 2 , 48 3 , ..., 48 i . Note that each optical waveguide may be provided with a variable attenuator as necessary. Weighting is performed by the phase shifter of each of the optical waveguides 47 1 to 47 i . With this configuration, the optical pulse δ(t) undergoes the following transformation:

式(3)のθは遅延干渉系の遅延時間差を示し、ω iはi番目の遅延線による重み成分をあらわす。δ(t)を繰り返し周期Nθでのみ強度1を持つ信号であると仮定すると、光フィルタの重み設定に応じて、図4の構成により、任意の重み信号を時間的に生成することが可能である。また、図4の構成を空間ch数分だけ並列化させることで、空間ch×波長ch分の重みを多重化して生成できる。この方式は、光変調器を利用しておらず、パッシブな導波路で構成可能という利点がある。また、OS比はθに依存するが、θは導波路の遅延長を調整することで任意に設定できることから、OS比を任意に設定することができるという利点がある。一方、この方式は、空間ch×波長ch数分の光フィルタアレーが必要であるといったデメリットがある。なお、ここでは、説明を簡単にするため光フィルタは、図4に有限インパルス応答(FIR)フィルタを用いる一例を示して説明したが、インパルス応答を設計可能であれば、光回路構成は例示したものに限定されない。任意のインパルス応答を得る別の方法としては、無限インパルス応答(IIR)フィルタを用いて構成することができる。その一例として、例えば非特許文献2のような構成を用いることができる。さらに、FIRフィルタを用いる別の構成として、格子型(LATTICE型)フィルタを用いるようにしてもよい。その一例として、例えば非特許文献3のように光干渉系を多段に形成した構成を用いることができる。このような構成も第二の構成例に含まれる。 In Equation (3), θ represents the delay time difference of the delay interference system, and ω'i represents the weighting component due to the i-th delay line. Assuming that δ(t) is a signal with an intensity of 1 only at a repetition period of N'θ , the configuration of Figure 4 can generate any weighted signal over time according to the weighting settings of the optical filter. Furthermore, by parallelizing the configuration of Figure 4 as many times as the number of spatial channels, weights for spatial channels x wavelength channels can be multiplexed and generated. This method has the advantage of not using an optical modulator and can be configured using passive waveguides. Furthermore, although the OS ratio depends on θ, θ can be set arbitrarily by adjusting the delay length of the waveguide, which allows the OS ratio to be set arbitrarily. On the other hand, this method has the disadvantage of requiring an optical filter array equal to the number of spatial channels x wavelength channels. For simplicity's sake, the optical filter in Figure 4 is described using an example of a finite impulse response (FIR) filter. However, the optical circuit configuration is not limited to the illustrated example, as long as the impulse response can be designed. Another method for obtaining an arbitrary impulse response can be configured using an infinite impulse response (IIR) filter. As an example, a configuration such as that shown in Non-Patent Document 2 can be used. Furthermore, as another configuration using an FIR filter, a lattice type filter can be used. As an example, a configuration in which an optical interference system is formed in multiple stages can be used, as shown in Non-Patent Document 3. Such a configuration is also included in the second configuration example.

さらに、図5を参照して、光AWGの第三の構成例について説明する。光AWGの第三の構成例としては、光パルスδ(t)を空間光学系型の光フィルタに導入する方式があげられる。計算原理は、第二の構成例と同様であるが、この方式は、空間光学系を利用することで、必要となる空間ch×波長ch分の式(3)の演算を単一のデバイスで実行することが可能となる。例えば図5のように入力光パルス信号を空間光学系に導入する構成により実現できる。図5に第三の構成例50を示す。第三の構成例50は、パルス光源51と、パルス光源からの入力パルス信号と重みωijが入力される空間光学光フィルタ52とにより構成されている。例えば、空間光学光フィルタ52は、図5の吹き出しに示す構成により実現できる。この空間光学光フィルタ52は、入力光ファイバ521、コリメートレンズ522、回折格子523、フーリエレンズ524、空間光変調器(SLM)525、フーリエレンズ526、回折格子527、コリメートレンズ528、出力光ファイバ529により構成されている。入力光ファイバ521からのパルス光は、コリメートレンズ523をとおり、回折格子523にて分波されて、各空間ch及び波長chごとに異なるビームスポットをSLM525上に形成する。SLM525では、位相パタンをchごとに設定することによって、各chごとに異なるインパルス応答を与えることができる。SLM525からの透過(あるいは反射)光は、再び回折格子527によって、合波され、コリメートレンズ528をとおり、出力光ファイバ529により出力される。この構成例によれば、上述の式(3)の演算を単一デバイスで一括で実施可能という優れた利点がある。なお、SLMに反射型の素子(例えば反射型Liquid crystal on silicon, LCOSやDigital mirror device, DMD)を用いることで、光学系を折り返すことが出来るため、入力光ファイバ521と529、コリメートレンズ522と528、回折格子523と527、フーリエレンズ524と526、をそれぞれ共通のコンポーネントで構成することも可能である。これは部品点数削減や空間光学光フィルタ52の筐体サイズ低減などの優れた機能の発現に資する。なお、図5の空間光学光フィルタ52では、説明を簡単にするために波長chのみを一括して操作する場合の構成を記載しているが、例えば非特許文献4のように、複数のパルス入力光をy軸方向に空間的に分離することにより空間多重を実現し、y軸方向に分離した各入力パルス光をx軸方向に分散させるようにすることで、空間chも単一デバイスに集積可能である。 Furthermore, a third configuration example of an optical AWG will be described with reference to FIG. 5 . The third configuration example of an optical AWG is a method in which an optical pulse δ(t) is introduced into a spatial optical system-type optical filter. The calculation principle is similar to that of the second configuration example, but this method uses a spatial optical system, making it possible to perform the calculation of Equation (3) for the required number of spatial channels × wavelength channels in a single device. For example, this can be realized by a configuration in which an input optical pulse signal is introduced into a spatial optical system, as shown in FIG. 5 . FIG. 5 shows a third configuration example 50. The third configuration example 50 includes a pulse light source 51 and a spatial optical filter 52 to which an input pulse signal from the pulse light source and a weight ω ij are input. For example, the spatial optical filter 52 can be realized by the configuration shown in the balloon in FIG. 5 . The spatial optical filter 52 includes an input optical fiber 521, a collimating lens 522, a diffraction grating 523, a Fourier lens 524, a spatial light modulator (SLM) 525, a Fourier lens 526, a diffraction grating 527, a collimating lens 528, and an output optical fiber 529. Pulsed light from the input optical fiber 521 passes through the collimating lens 523 and is split by the diffraction grating 523 to form different beam spots on the SLM 525 for each spatial channel and wavelength channel. The SLM 525 can provide different impulse responses for each channel by setting a phase pattern for each channel. The transmitted (or reflected) light from the SLM 525 is combined again by the diffraction grating 527, passes through the collimating lens 528, and is output from the output optical fiber 529. This configuration example has the excellent advantage of being able to perform the calculation of the above-described equation (3) all at once using a single device. Note that by using a reflective element (e.g., reflective liquid crystal on silicon, LCOS, or digital mirror device, DMD) in the SLM, the optical system can be folded, and therefore the input optical fibers 521 and 529, collimating lenses 522 and 528, diffraction gratings 523 and 527, and Fourier lenses 524 and 526 can each be configured using the same components. This contributes to achieving excellent functions, such as reducing the number of parts and the housing size of the spatial optical filter 52. Note that for the spatial optical filter 52 in FIG. 5, a configuration in which only wavelength channels are manipulated collectively is shown for simplicity of explanation. However, as in Non-Patent Document 4, for example, spatial multiplexing can be achieved by spatially separating multiple pulse input light beams in the y-axis direction, and then dispersing each input pulse light beam separated in the y-axis direction in the x-axis direction, thereby integrating spatial channels into a single device.

(光演算コア)
つぎに、図6及び図7を参照しながら、この実施形態の機械学習システムを構成する光演算コアの形態について、説明する。以降は簡単のために、M=Kとして説明するが、この条件に本発明の請求範囲は限定されない。まず、光演算コアの主要なコンポーネントについて説明する。式(1)のような演算を光学的に実行するには、上記の式(2)における行列積の演算操作と非線形操作が実行できれば良い。上記の式(2)の演算操作は、ベクトル・ドット積とその和算に分解できる。この実施の形態では、光回路ユニットを、ベクトル・ドット積と和算の操作を、2通りの異なる方式で実行する光演算回路を組み合わせて構成することで、DACからの低い速度の信号を、光信号の信号帯域にアップコンバートして演算することを可能としている。以下、2つの異なる方式の光演算回路をそれぞれアップクロック型、ダウンクロック型と呼称する。
(Optical computing core)
Next, the configuration of the optical computation core constituting the machine learning system of this embodiment will be described with reference to Figures 6 and 7. For simplicity, the following description will be given assuming M = K, but the scope of the present invention is not limited to this condition. First, the main components of the optical computation core will be described. To optically perform a calculation such as that shown in Equation (1), it is necessary to be able to perform the matrix multiplication operation and nonlinear operations shown in Equation (2) above. The calculation operation shown in Equation (2) above can be decomposed into a vector dot product and its sum. In this embodiment, the optical circuit unit is configured by combining optical computation circuits that perform vector dot product and sum operations using two different methods, making it possible to upconvert low-speed signals from a DAC to the signal bandwidth of an optical signal and perform the calculation. Hereinafter, the two different types of optical computation circuits will be referred to as the up-clocked type and the down-clocked type, respectively.

図6は、アップクロック型の光演算回路を構成する演算素子の構成の概略を説明する図である。図6(a)には、アップクロック型の光演算回路を構成するベクトル・ドット積を行う演算素子60の例が示されている。このアップクロック型の光演算回路を構成するベクトル・ドット積を行う演算素子を、TypeIベクトル・ドット積演算素子と呼ぶ。TypeIベクトル・トッド積演算素子60は、波長DEMUX61と、光変調器621、622、・・・62Mと、波長MUX63とを含んで構成されている。TypeIベクトル・ドット積演算素子60では、光重み発生器からの重み波長多重光を波長DEMUX61で波長λ1、λ2、・・・・λMに分離し、それぞれを光変調器621、622、・・・62Mに導入する。DACから導入されるRF信号X1、X2・・・XMは、光変調器へRF信号として導入される。ここで、RF信号の信号帯域は重み波長多重光の信号帯域よりもOS比に応じて低速である。 FIG. 6 is a diagram illustrating the outline of the configuration of an arithmetic element constituting an up-clocked optical arithmetic circuit. FIG. 6( a) shows an example of an arithmetic element 60 that performs a vector dot product and constitutes an up-clocked optical arithmetic circuit. The arithmetic element that performs a vector dot product and constitutes this up-clocked optical arithmetic circuit is called a Type I vector dot product element. The Type I vector dot product element 60 includes a wavelength demultiplexer 61, optical modulators 62 1 , 62 2 , ... 62 M , and a wavelength multiplexer 63. In the Type I vector dot product element 60, the wavelength demultiplexer 61 separates the weighted wavelength-multiplexed light from the optical weight generator into wavelengths λ 1 , λ 2 , ... λ M , and each separates it into optical modulators 62 1 , 62 2 , ... 62 M. RF signals X 1 , X 2 ... X M input from the DAC are input to the optical modulators as RF signals. Here, the signal band of the RF signal is slower than the signal band of the weighted wavelength multiplexed light in accordance with the OS ratio.

各光変調器では、図6(b)に信号波形で示すように、光重み発生器からの重み光信号が、各波長λi毎にRF信号Xiによって変調されることにより、各時間ドメイン毎に掛け算操作がなされる。その結果として、RF信号の示す入力値と重み光信号が示す重みとがベクトル・ドット積操作された光信号が時間・波長空間に配置されて出力されることになる。 In each optical modulator, as shown by the signal waveform in Fig. 6(b), the weighted optical signal from the optical weight generator is modulated by the RF signal X i for each wavelength λ i , thereby performing a multiplication operation for each time domain. As a result, an optical signal in which the input value indicated by the RF signal and the weight indicated by the weighted optical signal are subjected to a vector dot product operation is arranged in the time/wavelength space and output.

この出力は、図6(c)の行列のように記述することができる。この行列は、図6(c)に示すように、列方向が時間軸方向、行方向が波長軸方向となっている。以上説明したように、図6(a)のTypeIベクトル・ドット積演算素子60によれば、M個の変調器で、低速RF信号の各クロック毎にMN回の演算ができるので、この演算結果として出力される出力光の信号帯域は元のRF信号の信号帯域に対してOS比分だけ高速になっている。この出力信号は、波長MUX63で合波されて波長多重光として出力される。このTypeIベクトル・トッド積演算素子60は出力光の信号帯域を元のRF信号の信号帯域に対してOS比分だけ高速化可能である。 This output can be described as the matrix in Figure 6(c). As shown in Figure 6(c), the column direction of this matrix is the time axis direction and the row direction is the wavelength axis direction. As explained above, with the Type I vector dot product calculation element 60 in Figure 6(a), M modulators can perform MN calculations for each clock of the low-speed RF signal, so the signal bandwidth of the output light output as a result of this calculation is faster by the OS ratio than the signal bandwidth of the original RF signal. This output signal is multiplexed by the wavelength MUX 63 and output as wavelength-multiplexed light. This Type I vector dot product calculation element 60 can speed up the signal bandwidth of the output light by the OS ratio than the signal bandwidth of the original RF signal.

図6(d)は、アップクロック型光演算回路を構成する和算演算素子64の構成の概略を示す図である。図6(d)には、アップクロック型光演算回路を構成する和算を実行する演算素子64の例が示されている。この和算を実行する演算素子64をTypeI和算演算素子と呼ぶ。図6(d)に示したTypeI和算演算素子64は、受光素子、例えば、フォトディテクタ(PD)65で構成することができる。一般にPDは、WDM通信が利用される帯域(例えばC帯)では、大きな波長依存性を持たないため、ベクトル・ドット積演算回路から出力される波長多重光信号のPD65による受信は、波長方向への和算操作とみなすことができる。具体的には、図6(e)の行列の線で囲った部分で示すように、波長軸方向である行方向に加算が行われてRF信号yiが出力されることになる。 FIG. 6( d ) is a diagram showing the schematic configuration of a summing operation element 64 constituting an up-clocked optical arithmetic circuit. FIG. 6( d ) shows an example of an arithmetic element 64 constituting an up-clocked optical arithmetic circuit that performs summing. This arithmetic element 64 that performs summing is called a Type I summing operation element. The Type I summing operation element 64 shown in FIG. 6( d ) can be configured with a light-receiving element, for example, a photodetector (PD) 65. Generally, PDs do not have significant wavelength dependence in the bands used for WDM communications (e.g., C band). Therefore, reception of the wavelength-multiplexed optical signal output from the vector dot product operation circuit by the PD 65 can be considered as a summing operation in the wavelength direction. Specifically, as shown by the circled area of the matrix in FIG. 6( e ), addition is performed in the row direction, which is the wavelength axis direction, to output an RF signal y i .

このように、図6(a)と(d)の各演算素子を組み合わせたアップクロック型光演算回路によって、式(2)の行列演算操作を実行することができる。このアップクロック型光演算回路から出力されるRF信号の信号帯域は、OS比に応じて高速化しているため、低い動作帯域のADCでは出力信号を解像することができない。 In this way, the matrix arithmetic operation of equation (2) can be performed by an up-clocked optical arithmetic circuit that combines the arithmetic elements shown in Figures 6(a) and 6(d). Because the signal bandwidth of the RF signal output from this up-clocked optical arithmetic circuit increases in speed according to the OS ratio, an ADC with a low operating bandwidth cannot resolve the output signal.

そこで、本実施形態の光回路ユニットでは、このアップクロック型光演算回路と図7に示すダウンクロック型光演算回路とを組み合わせて用いている。 Therefore, in the optical circuit unit of this embodiment, this up-clocked optical arithmetic circuit is combined with the down-clocked optical arithmetic circuit shown in Figure 7.

つぎに、図7を参照してダウンクロック型光演算回路について説明する。図7(a)は、ダウンクロック型光演算回路を構成するベクトル・ドット積を演算する演算素子70を示す図である。このベクトル・ドット積を演算する演算素子70を、TypeIIベクトル・ドット積演算素子と呼ぶ。図7(a)に示すTypeIIベクトル・ドット積演算素子70は、光重み発生器から配信される重み波長多重光と、アップクロック型光演算回路から出力される高速RF信号がRF入力信号として導入される光変調器71を含んで構成されている。前述のアップクロック型光演算回路から出力されるRF信号はOS比に応じて、高速化されており、ベクトルの次元Nに応じた信号yNは時系列方向に多重化されている。この高速化されたRF信号が光変調器71へのRF入力信号となる。ここで光変調器71に導入される重みは、アップクロック型光演算回路において導入された重みとは異なる重みであることが望ましい。この光変調器71によるベクトル・ドット積演算もまた、図7(b)の行列により記述できる。図7(b)の行列に示すように、図6(b)の行列とは、波長と時間の関係が逆転している。このように、TypeIIベクトル・ドット演算素子70においては、光変調器71を用いてRF信号の示す入力値と重み光信号が示す重みとのベクトル・ドット積を演算することができる。 Next, the downclocked optical arithmetic circuit will be described with reference to FIG. 7 . FIG. 7( a) shows an arithmetic element 70 that constitutes the downclocked optical arithmetic circuit and that calculates a vector dot product. This arithmetic element 70 that calculates a vector dot product is called a Type II vector dot product arithmetic element. The Type II vector dot product arithmetic element 70 shown in FIG. 7( a) includes an optical modulator 71 to which weighted wavelength-multiplexed light delivered from an optical weight generator and a high-speed RF signal output from an upclocked optical arithmetic circuit are introduced as an RF input signal. The RF signal output from the upclocked optical arithmetic circuit is sped up in accordance with the OS ratio, and a signal y N corresponding to the dimension N of the vector is multiplexed in the time series direction. This sped-up RF signal becomes the RF input signal to the optical modulator 71. Here, it is desirable that the weight introduced into the optical modulator 71 be different from the weight introduced in the upclocked optical arithmetic circuit. The vector dot product calculation by this optical modulator 71 can also be described by the matrix shown in FIG. 7( b). As shown in the matrix of Fig. 7(b), the relationship between wavelength and time is reversed compared to the matrix of Fig. 6(b). In this way, the Type II vector dot processor 70 can use the optical modulator 71 to calculate the vector dot product of the input value indicated by the RF signal and the weight indicated by the weighted optical signal.

つぎに、図7(c)を参照して、ダウンクロック型光演算回路を構成する和算を実行する演算素子72について説明する。この演算素子72を、TypeII和算演算素子と呼ぶ。TypeII和算演算素子72は、ベクトル・ドット積演算回路から出力される波長多重光を波長DEMUX73により分波して、各波長光をそれぞれ波長chごとに異なるPD741、742・・・74Mへ導入するように構成されている。これらのPDの動作帯域は、ベクトル・ドット積演算素子から出力される光信号の信号帯域よりも低く設定される。例えば、この光信号帯域とPD動作帯域との関係を図7(e)に示すように設定すればよい。これにより、各波長ch毎に、それぞれの信号が時間方向へ実効的に平均化操作がなされることになる。この平均化操作は実効的に、行列演算における和算操作を時間方向に沿って行っていることと解釈できる。具体的には、図7(e)の行列において、枠で囲って示しているように、時間軸に対応する行方向に、各行の値の加算がされることになる。なお、PDの動作帯域を低く設定する代わりに、PDの後段に光信号の信号帯域よりも低い帯域を持ったRFフィルタやRFアンプを挿入してもよい。このように構成することで、ベクトル・ドット積光演算素子から出力される光信号帯域の高速な波長多重光を低速なADCで解像可能な低い信号帯域にダウンコンバートしたRF信号として出力することが可能となる。 Next, referring to FIG. 7( c), the arithmetic element 72 that performs summation and constitutes the down-clocked optical arithmetic circuit will be described. This arithmetic element 72 is referred to as a Type II summation element. The Type II summation element 72 is configured to demultiplex the wavelength-multiplexed light output from the vector dot product circuit using a wavelength demultiplexer 73 and introduce each wavelength light into different PDs 74 1 , 74 2 , ..., 74 M for each wavelength channel. The operating bandwidths of these PDs are set lower than the signal bandwidth of the optical signal output from the vector dot product element. For example, the relationship between the optical signal bandwidth and the PD operating bandwidth can be set as shown in FIG. 7( e). This effectively averages the signals for each wavelength channel in the time direction. This averaging operation can be interpreted as effectively performing a summation operation in matrix calculations along the time direction. Specifically, in the matrix of FIG. 7( e), as shown by the boxes, the values of each row are added in the row direction corresponding to the time axis. Instead of setting the operating bandwidth of the PD low, an RF filter or RF amplifier having a bandwidth lower than the signal bandwidth of the optical signal may be inserted downstream of the PD. With this configuration, it becomes possible to output an RF signal that is down-converted from the high-speed wavelength-multiplexed light in the optical signal bandwidth output from the vector dot product optical calculation element to a low signal bandwidth that can be resolved by a low-speed ADC.

したがって、図6に示したアップクロック型光演算回路と図7に示したダウンクロック型光演算回路とを組み合わせて用いることにより、入出力されるRF信号の信号帯域が低く、ベクトル・ドット積演算をOS比分だけ高速化して実行可能な光回路ユニットを実現することができる。 Therefore, by combining the up-clocked optical arithmetic circuit shown in Figure 6 with the down-clocked optical arithmetic circuit shown in Figure 7, an optical circuit unit can be realized that has a low signal bandwidth for the input and output RF signals and can perform vector dot product operations at a speed that is increased by the OS ratio.

また、図2に示す機械学習システムの光演算コアの光ユニット回路30として、アップクロック型光演算回路とダウンクロック型光演算回路とを組み合わせた光ユニット回路を用いることにより、DAC/ADCによる光演算のボトルネックを解消可能な機械学習システムを提供することができる。 In addition, by using an optical unit circuit that combines an up-clocked optical arithmetic circuit and a down-clocked optical arithmetic circuit as the optical unit circuit 30 of the optical arithmetic core of the machine learning system shown in Figure 2, it is possible to provide a machine learning system that can eliminate the bottleneck of optical arithmetic caused by the DAC/ADC.

図8(a)は、図6に示したアップクロック型光演算回路と図7に示したダウンクロック型光演算回路とを組み合わせて2層の全結合パーセプトロン(MLP)を実装する光回路ユニット80の構成を例示する図である。図8(b)には、この光回路ユニット80により実現されるMLPの等価ネットワークモデルが示されている。図8(a)のようにTypeIベクトル・ドット積演算素子81と、TypeI和算演算素子82と、TypeIIベクトル・ドット積演算素子83と、TypeII和算演算素子84とを組み合わせることで、2層MLPの演算が可能となる。TypeIベクトル・ドット積演算素子81に入力されるRF信号とTypeII和算演算素子84から出力されるRF信号は、低速なRF信号であり、低速なDAC85またはADC86を介して電子回路へ入出力される。TypeI和算演算素子82からTypeIIベクトル・ドット積演算素子83には高速なRF信号が入力されるように構成されている。隠れ層には非線形活性化関数が必要であるが、例えば図8(a)にfで示しているように、TypeIIベクトル・ドット積演算素子83の個所にマッハツェンダー変調器を導入することで、sin形状の非線形関数を印加することが可能である。ここでは2層のMLPの場合について示したが、同様の操作を拡張することで任意の層数の演算に拡張可能である。また、光重み発生器により入力される光重み信号により配信される重みに制約を課すことで、畳み込み演算などの演算も同じ構成で実行することが可能である。 Figure 8(a) illustrates the configuration of an optical circuit unit 80 that combines the up-clocked optical arithmetic circuit shown in Figure 6 and the down-clocked optical arithmetic circuit shown in Figure 7 to implement a two-layer fully connected perceptron (MLP). Figure 8(b) shows an equivalent network model of the MLP realized by this optical circuit unit 80. Combining a Type I vector dot product arithmetic element 81, a Type I summing arithmetic element 82, a Type II vector dot product arithmetic element 83, and a Type II summing arithmetic element 84 as shown in Figure 8(a) enables two-layer MLP calculations. The RF signal input to the Type I vector dot product arithmetic element 81 and the RF signal output from the Type II summing arithmetic element 84 are low-speed RF signals that are input to and output from the electronic circuit via a low-speed DAC 85 or ADC 86. A high-speed RF signal is input from the Type I summation element 82 to the Type II vector dot product element 83. A nonlinear activation function is required in the hidden layer. For example, as shown by f in FIG. 8( a), by introducing a Mach-Zehnder modulator at the Type II vector dot product element 83, it is possible to apply a sine-shaped nonlinear function. While the example shown here is a two-layer MLP, the same operation can be extended to accommodate any number of layers. Furthermore, by imposing constraints on the weights delivered by the optical weight signal input by the optical weight generator, it is possible to perform operations such as convolution operations with the same configuration.

上述した図8(a)の光回路ユニット80は、回帰結合のないフィードフォワード型のニューラルネット演算を実行するものであったが、図9(a)のような構成にすることで式(4)および式(5)で記述される回帰型ニューラルネットワーク(RNN)モデルを演算する光回路ユニットを実装することが可能である。
The optical circuit unit 80 in FIG. 8( a) described above executes feedforward neural network calculations without recursive coupling, but by configuring it as shown in FIG. 9( a), it is possible to implement an optical circuit unit that calculates a recursive neural network (RNN) model described by equations (4) and (5).

ここで、Ω,M,ωはそれぞれ入力層、中間層(RNN層)、出力層の結合をあらわす。 Here, Ω, M, and ω represent the connections of the input layer, intermediate layer (RNN layer), and output layer, respectively.

図9(a)は、図6に示したアップクロック型光演算回路と図7に示したダウンクロック型光演算回路とを組み合わせて、RNNを実装する光回路ユニット90の構成を例示する図である。図9(b)には、この構成により実現されるRNNの等価ネットワークモデルが示されている。図9(a)に示すように、TypeIベクトル・ドット積演算素子91と、TypeI和算演算素子92と、TypeIIベクトル・ドット積演算素子93と、TpeII和算演算素子94とを組み合わせることで、RNNの演算が可能となる。TypeIベクトル・ドット積演算素子91に入力されるRF信号とTypeII和算演算素子94から出力されるRF信号は、低速なRF信号であり、低速なDAC95またはADC96を介して電子回路へ入出力される。TypeI和算演算素子92からTypeIIベクトル・ドット積演算素子93には高速なRF信号が入力されるように構成されている。この場合においても、隠れ層には非線形活性化関数が必要であるが、例えば図9(a)にfで示すTypeIIベクトル・ドット積光演算素子93の個所にマッハツェンダー変調器を導入することで、sin形状の非線形関数を印加することが可能である。 Figure 9(a) illustrates the configuration of an optical circuit unit 90 that implements an RNN by combining the up-clocked optical arithmetic circuit shown in Figure 6 and the down-clocked optical arithmetic circuit shown in Figure 7. Figure 9(b) shows an equivalent network model of the RNN realized by this configuration. As shown in Figure 9(a), RNN calculations are possible by combining a Type I vector dot-product calculation element 91, a Type I addition calculation element 92, a Type II vector dot-product calculation element 93, and a Type II addition calculation element 94. The RF signal input to the Type I vector dot-product calculation element 91 and the RF signal output from the Type II addition calculation element 94 are low-speed RF signals that are input to and output from the electronic circuit via a low-speed DAC 95 or ADC 96. High-speed RF signals are input from the Type I addition calculation element 92 to the Type II vector dot-product calculation element 93. In this case, a nonlinear activation function is still required in the hidden layer. However, for example, by introducing a Mach-Zehnder modulator at the location of the Type II vector dot product optical processor 93 indicated by f in FIG. 9(a), it is possible to apply a sinusoidal nonlinear function.

図9(a)に示す構成においても、光回路ユニットの入力は、低速DACから入力されるRF信号であり、出力される信号は、低速ADCにより解像可能なRF信号となっている。 In the configuration shown in Figure 9(a), the input to the optical circuit unit is an RF signal input from a low-speed DAC, and the output signal is an RF signal that can be resolved by a low-speed ADC.

つぎに、図8と図9の構成の演算速度について考察する。図8のMLPを実現する光回路ユニット80では、単位時間当たり式(2)を2層分解いていることに相当すると考えられる。そして、その演算速度(operations per sec [OPS])は下記式(6)で表される。
OPS = (2MN+(M-1)+(N-1)) fda/ad (6)
Next, let us consider the operation speed of the configurations shown in Figures 8 and 9. The optical circuit unit 80 that realizes the MLP shown in Figure 8 is considered to be equivalent to decomposing Equation (2) into two layers per unit time. The operation speed (operations per sec [OPS]) is expressed by the following Equation (6):
OPS = (2MN+(M-1)+(N-1)) f da/ad (6)

ここで、M,Nはそれぞれ入出力層の次元数と隠れ層の次元数を示す。ただし、ここでは、入出力層の次元数は同じであると仮定している。MはDAC/ADCの並列数に対応し、NはOS比に相当する。例えば、光重み発生器の光AWGの動作帯域とDAC/ADCのサンプリングレートをそれぞれfawg=50 GSa/s, fda/ad=100 MSa/sと仮定する。この場合、式(2)のOS比は、500となる。この時、DAC並列数M=100を仮定すると、凡そ10 TOPSの演算速度が実現可能であると見積もられる。 Here, M and N represent the number of dimensions of the input/output layer and the number of dimensions of the hidden layer, respectively. However, it is assumed here that the number of dimensions of the input/output layer is the same. M corresponds to the number of parallel DAC/ADCs, and N corresponds to the OS ratio. For example, assume that the operating band of the optical AWG of the optical weight generator and the sampling rate of the DAC/ADC are f awg = 50 GSa/s and f da/ad = 100 MSa/s, respectively. In this case, the OS ratio of equation (2) is 500. In this case, assuming that the number of parallel DACs is M = 100, it is estimated that a calculation speed of approximately 10 TOPS can be achieved.

同様に、図9のRNNを実現する構成についての演算速度について考察する。図9のRNNを実現する構成では、単位時間当たり式(4),(5)を解いていることに相当すると考えられる。そして、その演算速度は下記式(7)で表される。
OPS = (2MN+N2+(M-1)+(N-1)) fda/ad (7)
Similarly, let us consider the calculation speed of the configuration that realizes the RNN in Fig. 9. The configuration that realizes the RNN in Fig. 9 is considered to be equivalent to solving equations (4) and (5) per unit time. The calculation speed is expressed by the following equation (7).
OPS = (2MN+N 2 +(M-1)+(N-1)) f da/ad (7)

図6(a)の考察の場合と同様なサンプリングレート、並列数を仮定すると、凡そ250 TOPSの演算速度が実現可能であると見積もられる。これらの演算速度の値は、一般的なCPUの理論演算性能(約500G OPS)を上回る性能指数となる。 Assuming the same sampling rate and parallelism as in the case of Figure 6(a), it is estimated that a calculation speed of approximately 250 TOPs can be achieved. These calculation speed values are performance indices that exceed the theoretical calculation performance of a typical CPU (approximately 500 TOPs).

(利用の形態)
従来の構成(例えば図1)は、メモリを光干渉系の位相値という別のメモリに移し、その干渉系上で演算するといったIn-memory計算機の一種としての構成であった。一方、本開示の機械学習システムでは、重みを保持するメモリ機能と配信機能を備える光重み発生器と、演算を行う光演算コアとを分離しており、一般的な汎用コンピューティングと同様の構成となっている。また、従来の汎用コンピュータでは重みの配信を電子ケーブルで実行するため、電力やワイヤリングの観点から可能な限りメモリと演算回路(e.g.CPU)を近づけることが望ましいとされていた。これに対して、本開示の機械学習システムにおいては、光重み発生器から光ファイバによって重みを光演算コアまで配信するため、ほとんど電力を消費せず(伝搬時の損失なく)光演算コアへと重み情報を転送可能である。また、光の波長・時間・空間的な多重性を利用することで、数本の光ファイバ(あるいは単一の多芯ファイバ、マルチコアファイバ)で重み情報が転送可能である。従って、従来型の演算器と異なり、図10のように光重み発生器101と光演算コア102、102とを遠方に離間して配置し、光重み発生器101と光演算コア102とを光ファイバ105によって接続することができる。なお、図7においては、光演算コア102に含まれる光回路ユニット103とディジタル回路104とが示されている。このように、本実施形態の機械学習システムでは、光重み発生器と光演算コアを遠方に離間して配置することができるから、光重み発生器と光演算コアを別のラックや別の局舎に配置することが可能となる。例えば、光演算コアを配置するクライアント側と重みを配信するサーバ側を分離する利用形態が可能となる。この場合、クライアント側は入力、出力分のメモリ消費のみ[O(N)]を必要とし、重み情報[O(N2)]の保持・配信をサーバ側に委託できる。また、クライアント側は低速なDAC/ADCを介して、サーバ側での高速な光信号帯域へとアップコンバートされた計算の実行が可能となる。加えて、光重み発生器の信号を複数のクライアントに配信することで、分散的に学習することも可能である。
(Form of use)
Conventional configurations (e.g., Figure 1) are a type of in-memory computer in which the memory is transferred to a separate memory for storing the phase values of an optical interferometer and calculations are performed on that interferometer. In contrast, the machine learning system disclosed herein separates the optical weight generator, which has the memory function for storing weights and the distribution function, from the optical calculation core that performs the calculations, resulting in a configuration similar to that of general-purpose computing. Furthermore, in conventional general-purpose computers, weight distribution is performed via electronic cables, so it is desirable to place the memory and calculation circuit (e.g., CPU) as close as possible from the perspective of power and wiring. In contrast, the machine learning system disclosed herein distributes weights from the optical weight generator to the optical calculation core via optical fiber, allowing weight information to be transferred to the optical calculation core with almost no power consumption (no loss during propagation). Furthermore, by utilizing the wavelength, time, and spatial multiplicity of light, weight information can be transferred using several optical fibers (or a single multi-core fiber). Therefore, unlike conventional computing units, the optical weight generator 101 and the optical computation cores 102, 102 can be located far apart, as shown in FIG. 10, and the optical weight generator 101 and the optical computation core 102 can be connected by an optical fiber 105. Note that FIG. 7 also shows the optical circuit unit 103 and digital circuit 104 included in the optical computation core 102. In this way, in the machine learning system of this embodiment, the optical weight generator and the optical computation core can be located far apart, allowing them to be placed in different racks or different buildings. For example, a usage scenario in which the client side, where the optical computation core is located, and the server side, where the weights are distributed, can be separated is possible. In this case, the client side only requires memory consumption for input and output [O(N)], and can outsource the storage and distribution of weight information [O(N 2 )] to the server side. Furthermore, the client side can perform calculations upconverted to the high-speed optical signal bandwidth on the server side via a low-speed DAC/ADC. In addition, by distributing the signal of the optical weight generator to multiple clients, it is possible to learn in a distributed manner.

以上のように、本開示の機械学習システムにより、上記のようなクライアント側とサーバ側への計算負荷分離が可能となり、クライアント側では低負荷・省メモリな計算が可能となる。 As described above, the machine learning system disclosed herein enables the separation of computational load between the client side and the server side as described above, enabling low-load, memory-saving calculations on the client side.

DAC/ADCによる光演算のボトルネックを解消可能な機械学習システムを提供することができる。 It is possible to provide a machine learning system that can eliminate the bottleneck of optical calculations caused by DAC/ADC.

また、光重み発生器と光演算コアとを分離して配置し、光重み発生器が生成する重み光信号を光ファイバで光演算コアにより配信するよう構成した機械学習システムを提供することができる。 It is also possible to provide a machine learning system in which the optical weight generator and the optical calculation core are arranged separately, and the weight optical signal generated by the optical weight generator is distributed by the optical calculation core via optical fiber.

Claims (9)

1つまたは複数の重み波長多重光を生成する光重み発生器であって、
重みが記憶されたメモリと、
前記メモリに記憶された前記重みを波長方向と時間方向にマッピングすることで重み波長多重光を生成する1つまたは複数の光任意波形整形器と
を含んで構成される光重み発生器と、
電子回路と光回路ユニットとを含んで構成される光演算コアと、
を含む機械学習システムであって、
前記光重み発生器と前記光演算コアとが、1つまたは複数の光ファイバにより接続されており、
前記光回路ユニットは、前記電子回路からの入力信号が示す値と前記光重み発生器からの前記重み波長多重光が示す重みとの積和演算を行うように構成されており、
前記電子回路と前記光回路ユニットとの信号の入出力は、前記光回路ユニットに入力される前記重み波長多重光の信号帯域よりも低い動作帯域のアナログディジタル変換器および/またはディジタルアナログ変換器を介して行われることを特徴とする
機械学習システム。
an optical weight generator for generating one or more weighted wavelength multiplexed lights,
a memory in which weights are stored;
an optical weight generator including one or more optical arbitrary waveform shapers that generate weighted wavelength-multiplexed light by mapping the weights stored in the memory in the wavelength direction and the time direction;
an optical calculation core including an electronic circuit and an optical circuit unit;
A machine learning system comprising:
the optical weight generator and the optical calculation core are connected by one or more optical fibers;
the optical circuit unit is configured to perform a product-sum operation on a value indicated by an input signal from the electronic circuit and a weight indicated by the weighted wavelength-multiplexed light from the optical weight generator,
A machine learning system characterized in that signal input and output between the electronic circuit and the optical circuit unit is performed via an analog-to-digital converter and/or a digital-to-analog converter with an operating bandwidth lower than the signal bandwidth of the weighted wavelength multiplexed light input to the optical circuit unit.
前記光演算コアの前記光回路ユニットは、
前記電子回路から入力される前記アナログディジタル変換器の動作帯域のRF信号が示す入力値と、前記光重み発生器からの前記重み波長多重光が示す重みとの積和演算の結果を、前記重み波長多重光の信号帯域のRF信号として出力するアップクロック型光演算回路と、
前記重み波長多重光の信号帯域の前記RF信号が示す値と、前記光重み発生器からの前記重み波長多重光が示す重みとの積和演算の結果を、前記ディジタルアナログ変換器の動作帯域のRF信号として出力するダウンクロック型光演算回路と
を組み合わせて構成されていることを特徴とする請求項1に記載の機械学習システム。
The optical circuit unit of the optical calculation core comprises:
an up-clocked optical arithmetic circuit that performs a product-sum operation on an input value indicated by an RF signal in the operating band of the analog-to-digital converter input from the electronic circuit and a weight indicated by the weighted wavelength multiplexed light from the optical weight generator, and outputs the result as an RF signal in the signal band of the weighted wavelength multiplexed light;
The machine learning system according to claim 1, characterized in that it is configured in combination with a down-clocked optical arithmetic circuit that outputs the result of a product-sum operation between the value indicated by the RF signal in the signal band of the weighted wavelength multiplexed light and the weight indicated by the weighted wavelength multiplexed light from the optical weight generator as an RF signal in the operating band of the digital-to-analog converter.
前記アップクロック型光演算回路は、
複数の光変調器と、
前記重み波長多重光を波長分波してそれぞれの前記光変調器へ入力する波長DEMUXと、
各前記光変調器からの出力光を合波して波長多重出力光として出力する波長MUXと
を含んで構成されるベクトル・ドット積演算素子と、
前記波長多重出力光をRF信号に変換する受光素子を含んで構成される和算演算素子とにより構成されており、
各前記光変調器は、入力された各波長光を前記アナログディジタル変換器を介して入力されるRF信号を用いて変調するよう構成されている
ことを特徴とする請求項2に記載の機械学習システム。
The up-clocked optical arithmetic circuit comprises:
a plurality of optical modulators;
a wavelength demultiplexer that demultiplexes the weighted wavelength multiplexed light and inputs the demultiplexed light to each of the optical modulators;
a wavelength MUX that multiplexes the output light from each of the optical modulators and outputs it as wavelength-multiplexed output light; and
a summing operation element including a light receiving element that converts the wavelength multiplexed output light into an RF signal,
The machine learning system of claim 2, wherein each of the optical modulators is configured to modulate each input wavelength light using an RF signal input via the analog-to-digital converter.
前記ダウンクロック型光演算回路は、
重み波長多重光の信号帯域の前記RF信号を用いて、前記重み波長多重光を変調して出力する一つの光変調器を含んで構成されるベクトル・ドット積演算素子と、
複数の受光素子と、
入力される波長多重光を各波長に分波してそれぞれの受光素子に出力する波長DEMUXと
を含んで構成される和算演算素子と
を含んで構成されていることを特徴とする請求項2に記載の機械学習システム。
The down-clocked optical arithmetic circuit comprises:
a vector dot product calculation element including one optical modulator that modulates and outputs the weighted wavelength multiplexed light using the RF signal in the signal band of the weighted wavelength multiplexed light;
A plurality of light receiving elements;
The machine learning system according to claim 2, characterized in that it is configured to include a wavelength DEMUX that demultiplexes input wavelength-multiplexed light into each wavelength and outputs it to each light receiving element, and a summation calculation element that includes
前記光重み発生器の前記光任意波形整形器は、
入力される重みに応じて異なる波長の光を変調する複数の光変調器と、
それぞれの前記光変調器から出力される各波長光を合波する波長MUXと
を含むことを特徴とする請求項1に記載の機械学習システム。
The optical arbitrary waveform shaper of the optical weight generator includes:
a plurality of optical modulators that modulate light of different wavelengths according to input weights;
The machine learning system according to claim 1, further comprising a wavelength MUX that multiplexes the wavelength lights output from each of the optical modulators.
前記光重み発生器の前記光任意波形整形器は、
パルス光源と、
前記パルス光源からのインパルス光を波長分波して複数の波長光を生成する波長DEMUXと、
前記波長DEMUXから出力される各波長光がそれぞれ入力される重みに応じたインパルス応答を生成する複数の導波路型の光フィルタと、
各前記光フィルタから出力される各波長光を合波する波長MUXと
を含むことを特徴とする請求項1に記載の機械学習システム。
The optical arbitrary waveform shaper of the optical weight generator includes:
a pulsed light source;
a wavelength demultiplexer that demultiplexes the impulse light from the pulse light source to generate light of a plurality of wavelengths;
a plurality of waveguide-type optical filters that generate impulse responses according to the weights of the wavelength lights output from the wavelength demultiplexer;
The machine learning system according to claim 1, further comprising a wavelength MUX that multiplexes the wavelength lights output from each of the optical filters.
前記光重み発生器の前記光任意波形整形器は、
パルス光源と、
前記パルス光源からのインパルス光を入力して、1または複数の重み波長多重光を生成する1つの空間フィルタと
を含むことを特徴とする請求項1に記載の機械学習システム。
The optical arbitrary waveform shaper of the optical weight generator includes:
a pulsed light source;
The machine learning system of claim 1, further comprising a spatial filter that receives impulse light from the pulsed light source and generates one or more weighted wavelength multiplexed lights.
前記光重み発生器と前記光演算コアが、それぞれ別のラックまたは別の局舎に配置されていることを特徴とする請求項1ないし7のいずれか1項に記載の機械学習システム。 A machine learning system as described in any one of claims 1 to 7, characterized in that the optical weight generator and the optical calculation core are located in separate racks or separate buildings. 前記光演算コアを複数備え、前記光重み発生器からの前記重み波長多重光がそれぞれの光演算コアに配信されることを特徴とする請求項1ないし7のいずれか1項に記載の機械学習システム。 A machine learning system as described in any one of claims 1 to 7, characterized in that it comprises multiple optical calculation cores, and the weight wavelength multiplexed light from the optical weight generator is distributed to each optical calculation core.
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