一种光计算拓扑结构、系统以及系统的调控方法与流程

本技术涉及光计算领域，尤其涉及一种光计算拓扑结构、系统以及系统的调控方法。

背景技术：

1、以深度神经网络为代表的人工智能技术已成功应用于自动驾驶、医疗诊断、自然语言处理等领域。大规模矩阵/矢量乘是神经网络训练和推理过程中的基本计算操作，随着神经网络规模的增大，对于基于冯·诺依曼架构的电子计算设备而言，该操作需要占用大量的内存空间，计算功耗较高，速度较慢。目前，研究人员发现人工神经网络中的矩阵矢量乘法部分可以利用光学系统高速、低功耗、高并行地计算，光电混合神经网近年来已经成为人工智能技术的前沿研究领域。

2、现有的光电混合神经网络系统距离实际应用还有一定距离，其中最大的原因是光学神经网络模型复杂度低，难以针对具体的任务需求设定具有特殊拓扑结构的神经网络模型。光学神经网络模型通常使用物理介质或被动衍射光学元件来构建。其中，物理介质以及大部分的被动衍射光学元件具有静态拓扑结构，难以针对具体任务对其拓扑结构进行优化；而另一些由空间光调制器组成的衍射光学元件虽然能够对参数进行调整，但是其调整空间有限，无法实现拓扑结构的控制，并且实现复杂的网络结构时成本较高。

3、因此目前急需一种可以对拓扑结构进行大范围调整的光计算拓扑结构。

技术实现思路

1、本技术实施例提供了一种光计算拓扑结构、系统以及系统的调控方法，用于针对不同的应用场景实现拓扑结构的大范围调整。

2、第一方面，本技术提供一种光计算拓扑结构，其具体包括：第一物理介质、空间光调制器和第二物理介质；所述第一物理介质、所述空间光调制器和所述第二物理介质依次连接；所述第一物理介质用于对输入光场进行混合，实现所述输入光场的全连接拓扑得到待调制光场；所述空间光调制器用于调制所述待调制光场的光场参数得到待输出光场；所述第二物理介质用于所述待输出光场进行混合，实现所述待输出光场的全连接拓扑得到输出光场。

3、本实施例提供的光计算拓扑结构中，该第一物理介质和该第二物理介质对于光场进行混合之后，使得光场各个位置实现全连接拓扑，导致光场各个位置的相关性较低，从而导致传输矩阵中的元素独立性较强，进而扩大该空间光调制器对于参数的调整范围，使得该光计算拓扑结构实现大范围的调控。

4、一种可能实现方式中，所述第一物理介质为散射介质、衍射光学元件或多模光纤；所述第二物理介质为散射介质、衍射光学元件或多模光纤。这样增加了方案的可实行性。

5、另一种可能实现方式中，所述散射介质为涂有氧化锌或者氧化钛的玻璃基板。

6、另一种可能实现方式中，所述空间光调制器为液晶空间光调制器(spatial lightmodulator，slm)、数字微透镜阵列(digital mirror device，dmd)或者可编程衍射表面。这样增加了方案的可实行性。

7、第二方面，本技术提供一种基于光计算拓扑结构的光电计算系统，具体包括：光源设备、空间光调制器、光计算拓扑结构、探测器以及计算设备，其中，所述光计算拓扑结构具有上述权利要求1至权利要求4中任一项的述的功能；所述光源设备、所述空间光调制器、所述光计算拓扑结构、所述探测器和所述计算设备依次相连，且所述计算设备还与所述空间光调制器和所述光计算拓扑结构相连；

8、所述光源设备，用于输出光源；

9、所述空间光调制器，用于在所述光源上加载输入信号，使得所述输入信号由电信号转换为光信号；

10、所述光计算拓扑结构用于对所述光信号进行参数调制，以使得输出目标光场；

11、所述探测器，用于探测所述光计算拓扑结构输出的目标光场，从而生成图片；

12、所述计算设备，用于控制所述空间光调制器的调制模式和所述光计算拓扑结构中空间光调制器的调制模式，同时处理所述探测器输出的图片。

13、本实施提供的技术方案中，该光计算拓扑结构具有第一方面的光计算拓扑结构的功能，这样该光计算拓扑结构中可以对光场进行混合使得光场各个位置实现全连接拓扑，导致光场各个位置的相关性较低，从而导致传输矩阵中的元素独立性较强，进而扩大该光计算拓扑结构对于参数的调整范围，使得该光计算拓扑结构实现大范围的调控，从而增加该光计算系统对不同应用场景的适用性。

14、一种可能实现方式中，所述光电计算系统还包括聚焦设备，所述聚焦设备位于所述光计算拓扑结构与所述探测器之间，所述聚焦设备用于聚焦所述目标光场，并将聚焦后的所述目标光场输出至所述探测器。这样可以使得输出的光场效果更好，从而保证该探测器探测到的结果更精确。

15、另一种可能实现方式中，所述聚焦设备为透镜或者透镜组。这样可以增加方案的可行性。

16、另一种可能实现方式中，所述光电计算系统还包括准直扩束系统，所述准直扩束系统位于所述光源设备与所述空间光调制器之间，所述准直扩束系统用于将所述光源设备输出的光源进行扩束达到目标口径。

17、另一种可能实现方式中，所述空间光调制器为液晶slm、dmd或者可编程衍射表面。

18、另一种可能实现方式中，所述探测器为面阵互补氧化物半导体(complementarymetal oxide semiconductor，cmos)相机或者面阵电荷耦合器件(charge coupleddevice，ccd)相机。

19、第三方面，本技术提供一种光电计算系统的调控方法，其主要应用于上述第二方面所描述的光电计算系统，方法主要包括：所述计算设备生成第一调控信号和第二调控信号；

20、所述计算设备将所述第一调控信号加载至所述光计算拓扑结构，以使得所述光计算拓扑结构生成第一传输矩阵；所述计算设备将所述第二调控信号加载至所述空间光调制器，以使得测量得到所述第一传输矩阵；所述计算设备判断所述第一传输矩阵是否满足预设条件，若否，则根据优化算法生成第三调控信号；所述计算设备将所述第三调控信号加载至所述光计算拓扑结构，以使得所述光计算拓扑结构生成第二传输矩阵；所述计算设备测量将所述第二调控信号加载至所述空间光调制器，得到所述第二传输矩阵；在所述第二传输矩阵不满足所述预设条件时，依此重复计算得到符合所述预设条件的第四调控信号，所述第四调控信号为加载至所述光计算拓扑结构的调控信号；所述计算设备确定所述第四调控信号为所述光计算拓扑结构的加载模式，所述第二调控信号为所述空间光调制器的加载模式。

21、本实施例提供的技术方案中，该光计算拓扑结构具有第一方面的光计算拓扑结构的功能，这样该光计算拓扑结构中可以对光场进行混合使得光场各个位置实现全连接拓扑，导致光场各个位置的相关性较低，这样就可以导致传输矩阵中的元素独立性较强，从而扩大该光计算拓扑结构对于参数的调整范围，使得该光计算拓扑结构实现大范围的调控，从而增加该光计算系统的应用场景。而具体的调控方式是将通过计算该光计算拓扑结构所产生的传输矩阵与应用场景所需要的传输矩阵进行比对，若符合预设条件，则确定该光计算拓扑结构以及空间光调制器上加载的调控信号。

22、一种可能实现方式中，所述计算设备计算得到该光计算拓扑结构的传输矩阵可以采用如下方式：

23、所述计算设备将所述第二调控信号中的信号依次加载在所述空间光调制器中得到多个输出光场；

24、所述计算设备获取所述探测器依次输出的多个输出光场的振幅集合；

25、所述计算设备将所述第二调控信号整合为m×n的第一矩阵，并将所述振幅集合整合为m×n的第二矩阵，其中，所述m与所述n为正整数；

26、根据所述第一矩阵以及所述第二矩阵计算得到所述第一传输矩阵。

27、另一种可能实现方式中，所述计算设备判断所述第一传输矩阵是否满足预设条件的方式可以如下：

28、所述计算设备根据第一公式判断所述第一传输矩阵是否满足所述预设条件；其中，所述第一公式为t＝g·a，所述·表示逐元素相乘，所述g表示密集的复数高斯随机矩阵，所述a表示g中每个元素与其他元素之间的连接关系，所述t表示所述第一传输矩阵；

29、所述预设条件为所述a满足小世界分布。

30、另一种可能实现方式中，该计算设备生成新的调控信号的过程可以如下：

31、所述计算设备随机生成m个x×y的随机阵列，所述x和所述y为正整数，所述m为正整数；

32、所述计算设备将所述m个x×y的随机阵列转换为加载于所述光计算拓扑结构中的空间调制器的第一调控信号集合，所述第一调控信号集合中包括m个第一调控信号；

33、所述计算设备将所述m个第一调控信号依次加载至所述光计算拓扑结构中的空间调制器，以使得所述光计算拓扑结构依次生成m个第一中间传输矩阵；

34、所述计算设备依次计算得到所述m个第一中间传输矩阵，并计算得到所述m个第一中间传输矩阵的m个遗传算法的第一反馈值；

35、在所述第一反馈值中的最小值不满足预设阈值时，所述计算设备基于所述第一反馈值生成m个第一归一化反馈值，并根据所述m个第一归一化反馈值生成第一数组和第二数组，所述第一数组为将所述m个第一归一化反馈值按照由小到大的顺序排列生成，所述第二数组为计算所述第一数组中m个第一归一化反馈值的累积和得到；

36、所述计算设备根据所述第一数组和所述第二数组计算得到m组调控信号，其中每组调控信号包括两个控制信号；

37、所述计算设备依次交叉选择所述m组调控信号中的每组调控信号生成第二调控信号集合，所述第二调控信号集合包括m个第二调控信号；

38、所述计算设备根据所述m个第二调控信号依次加载至所述光计算拓扑结构中的空间调制器，以使得所述光计算拓扑结构依次生成m个第二中间传输矩阵；

39、所述计算设备依次计算得到所述m个第二中间传输矩阵，并计算得到所述m个第二中间传输矩阵的m个遗传算法的第二反馈值；

40、在所述第二反馈值中的最小值不满足第二预设条件时，依此重复计算得到满足所述第二预设条件的第三反馈值，并将所述第三反馈值对应的调控信号作为所述第三调控信号。

41、第四方面，本技术实施例提供一种计算机可读存储介质，该计算机存储介质存储有计算机指令，该计算机指令用于执行上述各方面中任意一方面任意可能的实施方式该的方法。

42、第五方面，本技术实施例提供一种包含指令的计算机程序产品，当其在计算机上运行时，使得计算机执行上述各方面中任意一方面该的方法。

43、第六方面，本技术提供了一种芯片系统，该芯片系统包括处理器，用于支持计算设备实现上述方面中所涉及的功能，例如生成或处理上述方法中所涉及的数据和/或信息。在一种可能的设计中，该芯片系统还包括存储器，该存储器，用于保存计算设备必要的程序指令和数据，以实现上述第三方面的功能。该芯片系统可以由芯片构成，也可以包含芯片和其他分立器件。