En los últimos años, se ha incrementado la demanda de la capacidad informática para el procesamiento cognitivo de imágenes y vídeo. Para lograr un mejor rendimiento en este ámbito, los científicos se han centrado en las redes neuronales convolucionales (CNN). Sin embargo, aunque las CNN ofrecen mejores prestaciones, también consumen mucha más energía y memoria, por lo que los investigadores han recurrido a la fotónica para mejorarlas. Es el caso del proyecto Circuitos fotónicos integrados reconfigurables neuromórficos como procesadores de imágenes artificiales (NEoteRIC), que ha desarrollado un nuevo procesador fotónico de alto rendimiento.
El proyecto NEoteRIC, liderado por la Universidad Politécnica de Valencia, se ha centrado en la generación de paradigmas de aprendizaje automático fotónico holístico que abordan las aplicaciones de imágenes exigentes con un enfoque no convencional. Este enfoque proporciona un aumento de la velocidad de cuadros, una mejora del rendimiento de la clasificación y un consumo de energía mucho menor en comparación con los enfoques de aprendizaje automático de última generación.
Enfoque de la investigación del proyecto NEoteRIC
La línea de investigación ha abarcado desde el nivel del transistor fotónico hasta el nivel de la arquitectura del sistema, que ha permitido ofrecer nuevas rutas no convencionales para la mejora del rendimiento neuromórfico.
El proyecto NEoteRIC se ha basado en el desarrollo y la ampliación de un circuito fotónico reconfigurable de alta velocidad similar a una matriz de puertas programables en campo (FPGA), que incorpora componentes fotónicos de silicio clave de alta densidad y totalmente reconfigurables (resonadores de anillo, MZI, etc.). La reconfigurabilidad a alta velocidad permite reestructurar los componentes fotónicos y recablear las conexiones entre componentes.
De esta forma, los chips no convencionales de NEoteRIC se utilizarán como una plataforma computacional neuromórfica en expansión que fusionará los méritos de la tecnología fotónica y electrónica. Además, en un mismo chip fotónico se permitirá la implementación totalmente óptica de arquitecturas potentes que no son de von Neumann, como la computación de reservorio, las redes neuronales recurrentes, las redes neuronales profundas y las redes neuronales convolucionales, simultáneamente.
Procesador fotónico de alto rendimiento
Como resultado a sus investigaciones, NEoteRIC ha presentado un procesador fotónico de alto rendimiento basado en la fotónica programable, capaz de revolucionar la fotónica de microondas y las aplicaciones de inteligencia artificial (IA).
Gracias a la tecnología FPGA incluida en el procesador, se ha conseguido un efecto multiplicador en el número de unidades integradas (mejora 4 veces), en el número de entradas y salidas (E/S) disponibles (mejora 2 veces) y una reducción del consumo de energía (mejora 5 veces).
Asimismo, los FPGA fotónicos se han mejorado con desfasadores BTO, que han permitido disminuir en cuatro órdenes de magnitud el consumo de energía por unidad, ofrecen mejoras en las capacidades de reconfiguración de nanosegundos y un consumo de energía insginificante por operaciones.
Entre las características principales del procesador fotónico de NEoteRIC, destacan la integración de un procesador que contiene 140 unidades básicas ajustables, así como las múltiples entradas para las tareas de inteligencia artificial más complejas. Concretamente, el procesador ofrece más de 30 entradas y salidas, cada una de las cuales proporciona capacidades avanzadas de programabilidad y procesamiento neuromórfico complejo.
Por otro lado, el procesador está equipado con múltiples fotodiodos que monitorizan la potencia en diferentes puntos de la malla programable, con el fin de ajustar con precisión los pesos para aplicaciones de IA exigentes, y una unidad de control de baja frecuencia densa que regula múltiples unidades básicas sintonizables en paralelo.
El procesador fotónico NEoteRIC utiliza un empaquetado óptico y eléctrico 2.5D avanzado, que incluye 64 fibras monomodo empaquetadas conjuntamente con 450 E/S eléctricas. El paquete incorpora una matriz fotónica de silicio con protuberancias fotónicas y protuberancias eléctricas empaquetadas en un intercalador óptico/eléctrico.
El intercalador aloja dos conectores de fibra Photonic-Plug con un alto recuento de fibras de 32 fibras por conector. Las pérdidas de acoplamiento del paquete se mantienen por debajo de los 3 dB en la entrada y la salida.
Plataforma fotónica disruptiva
Por otro lado, el procesador se integra en una plataforma fotónica disruptiva capaz de adaptarse a las necesidades de los diferentes problemas de clasificaciones más frecuentes en el campo de procesamiento de imágenes.
Este procesador fotónico de alto rendimiento basado en fotónica programable de NEoteRIC se ha probado en aplicaciones exigentes de alto impacto, como en el análisis de imágenes de alta frecuencia de cuadros y, en particular, modalidades de estiramiento temporal de un solo píxel; exhibiendo simultáneamente una alta resolución espacial y una tasa de procesamiento de Gframe/seg.
Un ejemplo de estas pruebas es la cointegración de la plataforma de NEoteRIC con modalidades avanzadas de imágenes médicas, como la citometría de tiempo estirado de un solo píxel y la citometría basada en eventos. Con estas pruebas, se ha allanado el camino para la infiltración del procesamiento óptico analógico de alta velocidad en aplicaciones de vanguardia listas para la industria.