来源:Frontiers of Optoelectronics 发布时间:2022/5/18 14:02:56
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FOE | 前沿研究:面向高性能光计算的集成光学导向逻辑运算进展综述

论文标题:Recent advances in integrated optical directed logic operations for high performance optical computing: a review (面向高性能光计算的集成光学导向逻辑运算进展综述)

期刊:Frontiers of Optoelectronics

作者:Ciyuan Qiu , Huifu Xiao , Liheng Wang , Yonghui Tian

发表时间:15 Apr 2022

DOI:10.1007/s12200-022-00001-y

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第一作者:邱辞源、肖恢芙

通讯作者:田永辉

通讯单位:兰州大学

● 研究背景 ●

逻辑运算是集成电路芯片最基本、最关键的功能之一。传统电子芯片中通过基本逻辑门级联实现计算和信息处理的方式,正面临着时延累积影响芯片性能、摩尔定律瓶颈、量子不确定性、成本与工艺等问题,迫切需要开发一种新的机制或载体来实现逻辑计算

电光导向逻辑是基于硅基光电子平台的一种新兴光信息处理技术,其操作数是电子,而运算结果是光子,其中电信号用于控制光网络中光开关的状态,参与运算的是光信号,以实现电控光的逻辑功能。光网络中的所有电信号是并行加载的,因此所有开关可以同时完成切换实现相应的计算。计算结果通过芯片上的光子传输,因此计算速度非常快,且光开关切换延迟不会累积。由于导向逻辑没有光功率要求,因而能够进行级联以实现大规模计算。更重要的是,电可以很方便地进行控制与存储,光可以用非常高的频率进行调制,并且有许多复用技术可以用来进行并行计算,因此,导向逻辑机制有望成为下一代超高速、超大容量“电子光子数字计算机”的理想方案。近几年大量导向逻辑的工作不断地被报道,系统梳理导向逻辑的发展趋势和发展方向对于实现更大规模、更高性能、更通用的电光计算机制至关重要。然而,尽管导向逻辑对光计算的发展极为重要,到目前为止,仍然缺乏对导向逻辑运算的发展趋势进行梳理和展望的讨论与综述

● 内容简介 ●

2022年3月28日,兰州大学田永辉教授团队在Frontiers of Optoelectronics期刊上发表了一篇以“Recent advances in integrated optical directed logic operations for high performance optical computing: a review”为题的综述文章。

本文从光学导向逻辑的概念和工作原理出发,介绍了光学导向逻辑作为一种新型的逻辑运算方案,利用电信号作为操作数来控制光开关的工作状态,以执行逻辑功能的优势。之后结合近几年发表的重要代表性工作,归纳总结了从基本的光学导向逻辑门到组合光学导向逻辑运算、可重构逻辑计算、低功耗光逻辑计算和用于导向逻辑计算的可编程光子网络等方面的工作,综述了光学导向逻辑运算的发展趋势。最后对光学导向逻辑的未来发展及其在光计算中的影响进行了展望,为未来实现高速大容量的电光融合计算芯片提供方向和思路

● 图文简介 ●

进展1 :光学导向逻辑是光电融合实现高性能光计算的重要机制

导向逻辑最早于2007年由美国和以色列科学家提出。导向逻辑芯片的结构由光开关网络组成,如图1所示。逻辑操作数加载于光开关上,以并行控制其工作状态(“交叉”、“直通”、“阻断”或“通过”),并将输入的连续光引导到不同的光路。理想情况下,由于逻辑操作数是独立加载的,下一阶段的光开关操作不需要等待之前的开关结果来产生作用,因而所有电信号对光开关的控制过程可以同时实现,使得并行输入电操作数可以在没有延迟累加的情况下实现计算,并且计算结果以光的形式传递和输出(通过设定相应的光功率阈值,在特定输出端口中是否检测到高水平的光功率即可被视为光逻辑结果“1”或“0”)。因此,导向逻辑方案融合了电子和光子的优点,将光的高性能嵌入到逻辑运算中,进而极大提升其性能指标,同时有效地避免了它们的缺点,是一种非常有前景的光电融合计算方案。2020年,被誉为“硅光之父”的著名光子学专家Richard Soref教授在其文章中评价光学导向逻辑机制时认为,它是实现下一代“数字电子-光子计算机”(Electronic-Photonic Digital Computer, EPDC)的可行方案,因为导向逻辑将光学逻辑芯片的低延时与高性能完美结合到电子计算机中,从而使得计算机具有更高的性能指标。

图1. 光学导向逻辑的概念与工作原理示意图

进展2. 基础逻辑门与组合逻辑功能的实现

在绝缘衬底上硅(Silicon-on-insulator, SOI)平台上可以采用多种光开关结构来形成开关网络,其中马赫-曾德尔干涉器(Mach-Zehnder Interferometer, MZI)、微环谐振器(Micro-ring Resonator, MRR)以及微盘谐振器(Micro-disk Resonator, MDR)是典型的代表,实际应用中可以根据具体的应用需求选择合适的开关单元来构建导向逻辑芯片。

常用的基础逻辑门包括非(NOT)、与/与非(AND/NAND)、或/或非(OR/NOR)、同或/异或(XNOR/XOR)等,近年来各种各样结构的逻辑门不断地被报道。其中,光学非门是实现光学反相器、通用门、移位寄存器和一些重要的全光功能结构的关键元件。通过简单的光开关单元即可实现光学非门,图2展示了单环单波导结构和单环双波导结构实现光学非门的原理与结构,输入端输入连续光时,采用热光调制和反偏PN调制等方式对微环加载电信号,在输出端即可实现逻辑非功能。

图2. 单个微环谐振器实现非运算(NOT)功能

同或/异或(XNOR/XOR)门是标签处理、奇偶校验、数据加密/解密和伪随机数生成等应用必不可少的功能单元。以微环谐振器为例,通过将两个微环和直波导级联,能够实现多种进行同或/异或运算的器件结构。图3展示了2010年科院半导体所张磊博士和杨林研究员课题组基于并联双环和交叉波导设计的同或/异或光学逻辑门,当各微环谐振器上加载的逻辑操作数(X、Y)为“1”时,微环谐振器在工作波长处谐振,而加载逻辑“0”时则不谐振,最终器件的Through和Drop两个输出端口能分别得到异或和同或运算结果。兰州大学田永辉教授团队在前期导向逻辑研究基础上,基于U型波导和微环谐振器级联报道了一些其他器件结构,在实现同或/异或逻辑运算的同时,消除了器件结构中的波导交叉,提升了器件性能。

图3. 实现同或/异或运算的光学结构示意图与器件显微照片。【Optics Letters, 2010, 35(10): 1620-1622.】

和同或/异或类似,采用级联微环谐振器还能实现与/与非(AND/NAND)和或/或非(OR/NOR)运算。2011年,杨林研究员课题组报道了基于如图4所示平行双环双波导结构的与/与非和或/或非逻辑运算。采用PIN和反偏PN结进行调制,器件的工作速度能达到100 Mbps和10 Gbps。此外,该结构还能产生类电磁感应透明效应(coupled-resonator-induced transparency, CRIT),利用该效应能实现异或/同或逻辑运算,并有效降低器件功耗。

图4. 实现与/与非、或/或非、同或/异或运算的光学结构示意图。【Optics Letters, 2011, 36(9): 1650-1652;Laser & Photonics Reviews, 2013, 7(1): 109-113.】

马赫曾德尔型干涉器(Mach-Zehnder Interferometer, MZI)同样能够用来实现基础光学逻辑运算。2017年,科院半导体所的丁建峰博士和杨林研究员团队采用反偏PN结调制,利用一个偏置可调节的MZI结构分别实现了异或、同或逻辑运算功能。2021年,兰州大学肖恢芙博士和田永辉教授课题组利用不同模式的传输特性差异,提出并实验验证了基于模式选择性的多功能逻辑运算芯片,如图5所示。根据TE0或TE1输入,器件分别能够实现XOR、XNOR、BUFFER和NOR、NOT、AND六种逻辑运算。

图5. 基于模式选择性的多功能导向逻辑运算芯片。【Optics Letters, 2021, 46(10): 2457-2460.】

组合逻辑计算是一种由基础布尔逻辑门实现的数字逻辑运算,其输出仅为当前输入的纯函数,可以直接用于对输入信号和存储数据执行布尔代数。在电子芯片中,组合逻辑运算通常由几个基本的电学逻辑门级联,这会导致延迟累积,并影响整个逻辑电路的运行速度。然而,与电路不同,光组合逻辑功能通常由整个光交换网络直接在光学导向网络中实现,因此延迟不会累积。科院半导体所杨林研究员团队和兰州大学田永辉教授团队基于微环谐振器结构先后报道了多种组合逻辑器件,包括编码器、译码器、比较器、优先编码器、半加器、半减器、奇偶校验器、可逆逻辑等等各种光学组合逻辑芯片,极大地丰富了光学导向逻辑的器件库,图6展示了其中的部分器件结构。

图6. 用于实现组合逻辑的光学器件结构示意图,(a)译码器【Optics Letters, 2014, 39(14): 4255-4258.】,(b)编码器【Optics Letters, 2011, 36(19): 3795-3797.】,(c)优先编码器【Nanophotonics, 2018, 7(4): 727-733.】

进展3. 可重构光学导向逻辑

前文所述的基础逻辑门与组合逻辑工作中,大多数都只能实现特定的一两种逻辑或者几种逻辑,这意味着在通用光子芯片中需要设计大量的逻辑结构来满足不同场合的应用需求,这将不可避免地增加研发成本和研究周期。可重构导向逻辑为解决这一问题提出了理想方案,它通过重构预先设计的光子回路中光开关的工作状态来执行不同的组合逻辑运算。

对于如图7所示的微环谐振型光开关而言,以PIN调制为例,其通常具有三种工作状态:“Pass/Block”、“Block/Pass”和“Pass/Pass”。当微环谐振器工作于“Pass/Block”状态,调制区加载逻辑“0”时工作波长λL处的光将被“阻塞”于微环谐振器中,而调制区加载逻辑“1”时工作波长λL处的光将沿直波导直通输出,故“Pass/Block”工作模式下光学输出逻辑y和加载的电学逻辑X相同(y=X);当微环谐振器工作于“Block/Pass”时,光学输出逻辑y和加载的电学逻辑X正好相反( );当微环谐振器工作于“Pass/Pass”模式时,工作波长λL处的光均能直通输出,光学输出逻辑和加载的电学逻辑无关(y=1)。

对于任意一个二进制逻辑运算来说,通过化简,其表达式都能写成若干最小项的和的形式Y=y1+y2+y3+……+yn,其中yn为最小项表达式,代表一系列逻辑操作数Xm的乘积, 是Xi的非运算,通过控制微环谐振器的工作状态即可分别得到每一个Xi和 。因此,通过级联多个微环谐振器开关单元,重构每个微环谐振器的工作状态,可利用一个光子回路进行任意逻辑运算功能。

图7. 1×1光开关的结构和重构特性。【Optics Express, 2011, 19(6): 5244-5259.】

2011年,美国赖斯大学的Qianfan Xu教授和美国空军研究实验室的Richard Soref教授团队提出了两种采用同一个光子回路实现多种复杂逻辑功能的芯片结构,如图8所示。赖斯大学的邱辞源博士(后加入上海交通大学)此后分别对这两种方案进行了实验验证,分别得到了数百MHz和数GHz的运算结果,论证了可重构逻辑运算方案的可行性。

图8. 用于实现可重构光学导向逻辑的光子回路示意图,(a)加法运算由上下载微环谐振器完成,它将不同波长的光输出收集到一个波导中并输入探测器探测,(b)加法运算由电域中并联的p-i-n光电探测器执行。【Optics Express, 2011, 19(6): 5244-5259.】

2016年,兰州大学的田永辉教授团队采用波长复用和微环谐振器波长调谐分组技术提出并验证了一种新型可重构光学导向逻辑方案,如图9所示。相比于图8的两种方案,该方案由于器件结构中的波分复用/解复用器和探测器阵列的消除,整个器件的结构得到极大简化。器件工作过程中除了微环谐振器的工作状态可以进行重构之外,每一个分组中用来进行计算的微环谐振器数量也可重构处理,提升器件的灵活性。

图9. 采用波长复用和微环谐振器波长调谐实现可重构光学导向逻辑的光子回路,(a)器件结构示意图【IEEE Photonics Journal, 2016, 8(2): 7801908(1-8).】,(b)进行功能验证器件显微照片,(c)100 Mbps速率的动态运算码型。【Scientific Reports, 2017, 7(1): 6410.】

进展4. 低功耗逻辑运算

功耗是逻辑计算中应该考虑的另一个重要问题。对于N个输入的逻辑函数,将有2N个不同的逻辑组合。而且,为了实现每个逻辑组合,需要N个光开关。可重构光子回路用于执行N输入逻辑操作数计算的总功耗Ptotal可以表示为Ptotal~N×2N Punit,其中Punit是计算过程中每个单元开关的动态功率。如果逻辑函数是固定的,则Ptotal可以表示为Ptotal~M×Punit,而M是函数中所需的开关数。基于以上讨论,可以发现,为了有效地降低光路的总功耗,可以降低开关数M或降低开关单元的动态功率(Punit)。

为了减小逻辑运算过程中所需要的开关数M,来自得克萨斯大学奥斯汀分校的Ray Chen教授团队尝试使用一个微环谐振器来实现多逻辑操作数运算功能,如图10所示。整个微环由多段电极控制,每段电极分别用于实现一个逻辑操作数的加载。不同的逻辑操作数加载反应到传输谱上对应不同的谐振波长漂移,因此在输出端能够得到不同的运算结果。

图10. 多操作数逻辑门的实现原理。 【Applied Physics Letters, 2019, 115(17): 171104.】

另外一种减小逻辑运算总功耗的方法是降低单个开关的动态运算功耗Punit。Ray Chen教授团队采用微盘型谐振器取代常用的微环谐振器,并从尺寸、功耗、制造容差等角度比较了两种开关单元的优缺点。由于微盘型谐振器可以拥有更小的尺寸,进而具有更小的电容,因此与微环谐振器相比动态运算功耗(~CV2/4)可以极大降低。为了进行概念性验证,他们采用微盘型谐振器作为开关单元实现了~2.56 Kbps的光学加法器。更进一步地,采用更快的电光微盘调制器,该团队还验证了速率为20 GHz的加法运算结构,如图11所示。光开关运算时每比特的预估功耗是10.88 fJ/bit,驱动电压摆幅0.8 V。

图11. 低功耗微盘调制器用于实现加法器。 【Nature communications, 2020, 11(1): 2124.】

进展5. 用于导向逻辑运算的可编程光开关网络

电光导向逻辑运算的最终目的是利用大规模光开关网络实现多路并行、低功耗、高速的光计算。上述低功耗光开关单元为构建大规模的逻辑运算网络提供了良好的可行性,而基于低功耗开关单元的可重构逻辑则成为一种有前景的大规模运算架构。近几年新兴的可编程光子学(Programmable photonics)为实现可重构的大规模高速光逻辑计算提供了另一种可行的方案。可编程光网络的兴起旨在设计通用的光子网络,在许多应用领域实现各种基本和复杂的应用功能,包括光计算、信号整形、波形产生、延迟重构、波束扫描等等,具有有限资源的灵活重塑、鲁棒性、快速恢复性、快速创建系统和通过分时构建无限资源的能力,因此非常适合用来实现导向逻辑运算。图12展示了常见的2×2光开关单元结构极其组成的前向与循环可编程网络结构。

图12. 用于导向逻辑的光开关单元与可编程光子回路结构【Optics Communications, 2013, 291: 133-137. Nature, 2020, 586(7828): 207-216.】

● 总结 ●

光学导向逻辑计算在高速光信息处理领域中起着关键作用。本文综述了SOI平台上集成光学导向逻辑的发展现状和潜在趋势。自2007年光学导向逻辑被提出以来,已经展示了从基本逻辑门到组合逻辑的各种工作。在光学导向逻辑的发展过程中,高速调制技术和低开关功率光开关的不断改进将促使光学导向逻辑成为一种更高效、更具竞争力的光计算方法。对于未来的多级和多进制大规模计算,可重构光学导向逻辑和可编程光子网络方案被认为是很有前途的候选方案。在不久的将来,在同一电路中集成导向逻辑器件和大带宽光电探测器很有可能为下一代“电子光子数字计算机”铺平道路

摘要

Optical directed logic (DL) is a novel logic operation scheme that employs electrical signals as operands to control the working states of optical switches to perform the logic functions. This review first provides an overview of the concept and working principle of DL. The developing trends of DL computing are then discussed in detail, including the fundamental optical DL gates, combinational optical DL operations, reconfigurable logic computing, low power optical logic computing, and programmable photonic network. The concluding remarks provide an outlook on the DL future development and its impacts in optical computing.

● 作者介绍 ●

田永辉,教授,博士生导师,兰州大学物理科学与技术学院副院长。2013年7月获得中国科学院半导体研究所微电子学与固体电子学博士学位;2017年11月-2018年11月受国家留学基金委资助在澳大利亚悉尼大学物理学院访学。目前研究方向主要包括硅基集成光电子器件和薄膜铌酸锂集成光子器件,在国际著名光学期刊及国际会议发表学术论文80余篇,其中在Laser & Photonics Reviews, Nanophotonics,Optics Letters, Optics Express等著名光学期刊发表学术论文70余篇,申请中国发明专利17项,其中授权专利13项。目前承担国家自然科学基金面上项目、国家重点研发计划子课题等项目。

邱辞源,上海交通大学电子信息与电气工程学院副教授,上海市曙光学者。分别于2005年和2007年获清华大学学士学位和硕士学位,2013年获美国Rice University博士学位。研究方向为硅基/石墨烯光电子器件。目前在光学领域著名期刊和会议上发表论文65 篇,其中发表第一作者/通信作者论文36篇,包括1篇Nano Letters(第一作者,IF=11.238)和1篇 ACS Nano (共同作者, IF=14.588, ESI 热点论文),论文至今已被SCI(完全)他引1230次, Google Scholar引用2600余次。

肖恢芙,兰州大学青年研究员。2019年6月获得兰州大学微电子学与固体电子学博士学位。2022年4月以青年研究员身份加入兰州大学物理科学与技术学院工作。目前的研究方向主要包括硅基光电融合计算、片上光学模式调控、薄膜铌酸锂集成光子器件等,截至目前在Nanophotonics、Optics Letters、Applied Physics Letters等杂志上发表论文近40篇,第一作者/通信作者论文10篇。

● 课题组简介 ●

兰州大学集成光子学实验室针对服务国家发展战略的高速光通信、片上光互连、光计算等领域,立足光电子研究领域的前沿,依托硅基和铌酸锂氮化硅混合平台,主要开展片上多维复用技术、高速电光调制、逆向设计、纳米梁谐振腔及液晶光学等方向研究。团队现有教授2人,副教授2人,青年研究员1人,博士后1人,博士研究生4人,硕士研究生10人。团队网站:ipc.lzu.edu.cn。

● 招生信息 ●

课题组每年招收博士研究生1-2名,硕士研究生4-6名,欢迎熟悉激光/光电技术、集成光学、光纤通信、通信系统,或物理系、微电子、光学工程等学科的同学报考和推免。

同时,基于现有发展机遇与发展需求,课题组诚挚欢迎具有优秀的工作基础和较大发展潜力的国内外优秀青年研究人员、博士后、应届博士毕业生加入本实验室,与实验室共同拼搏、共同进步。本方向属于学校优先发展方向并分配充足的事业编制名额,待遇优厚,欢迎各类人才联系应聘。联系邮箱:siphoton@lzu.edu.cn

期刊简介

Frontiers of Optoelectronics (FOE)期刊是由教育部主管、高等教育出版社出版、德国施普林格(Springer)出版公司海外发行的Frontiers系列英文学术期刊之一,以网络版和印刷版两种形式出版。由北京大学龚旗煌院士、华中科技大学张新亮教授共同担任主编。

其宗旨是介绍国际光电子领域最新研究成果和前沿进展,并致力成为本领域内研究人员与国内外同行进行快速学术交流的重要信息平台。该刊的联合主办单位是高等教育出版社、华中科技大学和中国光学学会,承办单位是武汉光电国家研究中心。FOE期刊已被Emerging Sources Citation Index (ESCI), Ei Compendex, SCOPUS, INSPEC, Google Scholar, CSA, Chinese Science Citation Database (CSCD), OCLC, SCImago, Summon by ProQuest等收录。2019年入选中国科技期刊卓越行动计划梯队期刊项目。

《前沿》系列英文学术期刊

由教育部主管、高等教育出版社主办的《前沿》(Frontiers)系列英文学术期刊,于2006年正式创刊,以网络版和印刷版向全球发行。系列期刊包括基础科学、生命科学、工程技术和人文社会科学四个主题,是我国覆盖学科最广泛的英文学术期刊群,其中13种被SCI收录,其他也被A&HCI、Ei、MEDLINE或相应学科国际权威检索系统收录,具有一定的国际学术影响力。系列期刊采用在线优先出版方式,保证文章以最快速度发表。

中国学术前沿期刊网

http://journal.hep.com.cn

 
 
 
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