Νευρομορφικές υπολογιστικές τεχνικές σε εφαρμογές τηλεπικοινωνιών και επεξεργασίας εικόνας

Abstract

Το πρώτο τέταρτο του 21ου αιώνα σημαδεύτηκε από έκρηξη στη δημιουργία, ανταλλαγή και επεξεργασία ψηφιακών δεδομένων σε τέτοιο βαθμό ώστε να αποκαλείται εποχή της πληροφορίας. Οι βασικές τεχνολογίες που καθόρισαν αυτή τη περίοδο είναι το διαδίκτυο, με ραχοκοκαλιά τις οπτικές επικοινωνίες και η τεχνητή νοημοσύνη με βάση το μεγάλο όγκο δεδομένων. Δύο από τις σημαντικότερες τεχνολογικές προκλήσεις σήμερα αποτελούν η αποδοτική λειτουργία των αλγορίθμων τεχνητής νοημοσύνης και η ανταπόκριση των οπτικών επικοινωνιών στην ολοένα και αυξανόμενη ροή δεδομένων. Καίρια μειονεκτήματα αποτελούν η διασύνδεση μνήμης και επεξεργασίας μέσω αργών ηλεκτρικών καναλιών και ο μεγάλος αριθμός ηλεκτρο-οπτικών μετατροπών στις διασυνδέσεις. Τα τελευταία χρόνια, η απόσταση μεταξύ μεταφοράς και επεξεργασίας της πληροφορίας περιορίζεται σημαντικά με πιθανό ορίζοντα την αντικατάσταση των ηλεκτρικών καναλιών με οπτικά σε αποστάσεις μικρότερες του 1 m. Επίσης, έχουν αναδυθεί λογικές επεξεργασίας πέρα από την παραδοσιακή Von Neumann αρχιτεκτονική, ώστε να αρθεί ο διαχωρισμός μνήμης και επεξεργασίας. Τέτοιες λογικές καλούνται νεύρο-εμπνευσμένος η νευρομορφικός υπολογισμός. Με τη μεταφορά δεδομένων να λαμβάνει χώρα στο οπτικό επίπεδο, έχει νόημα ο νευρομορφικός υπολογισμός να πραγματοποιείται επίσης οπτικά. Ωστόσο, σε μια περίοδο όπου οι μονάδες επεξεργασίας γραφικών και ο παράλληλος υπολογισμός σημειώνουν τεράστιες επιτυχίες, ο φωτονικός νευρομορφικός υπολογισμός, που βρίσκεται ακόμα σε εμβρυακό επίπεδο, πρέπει να γίνει αποδοτικότερος ώστε να μπορέσει να βρει χώρο σε επιλεγμένες εφαρμογές. H μεγαλύτερη κατηγορία εφαρμογών, που θα μπορούσε άμεσα να ευνοηθεί από τη χρήση φωτονικών νευρομορφικών τεχνικών, είναι οι οπτικές επικοινωνίες. Δευτερευόντως, η επεξεργασία άλλων αμιγώς οπτικών σημάτων, όπως η εικόνα η τα σήματα εντοπισμού. Η διατριβή αυτή επιχειρεί να συμβάλλει στη βελτίωση της αποδοτικότητας των φωτονικών νευρομορφικών υπολογιστικών τεχνικών με έμφαση τη χρήση τους σε συστήματα οπτικών επικοινωνιών, αλλά και την επεξεργασία εικόνας. Προτείνονται: 1. Ένας φωτονικός επεξεργαστής διπλής κατεύθυνσης, βασισμένος σε δύο νευρώνες laser. Ο επεξεργαστής εκμεταλλεύεται χρονική πολυπλεξία για τη δημιουργία δεκάδων εικονικών νευρώνων. Η εφαρμογή επίδειξης που επιλέγεται είναι η αντιστάθμιση των αλλοιώσεων μετάδοσης σε δίκτυα μικρών αποστάσεων. 2. Ένας φωτονικός επεξεργαστής αποτελούμενος από οπτικά φίλτρα, για το ταυτόχρονο φασματικό διαχωρισμό και την επεξεργασία ευρυζωνικών σημάτων. Η σημαντικότερη εφαρμογή για αυτό το σύστημα είναι η αντιμετώπιση της χρωματικής διασποράς σε οπτικά δίκτυα διαμόρφωσης έντασης και άμεσης φώρασης. Με τη χρήση του, η εμβέλεια μετάδοσης σε συστήματα άμεσης φώρασης μπορεί να αυξηθεί από λίγα km σε >100 km, με βάση τους σύγχρονους ρυθμούς μετάδοσης (>100 Gbaud). 3. Ένας αυτοσύμφωνος δέκτης/επεξεργαστής βασισμένος στον νευρομορφικό φασματικό διαχωρισμό για τη λήψη και επεξεργασία σύμφωνων τηλεπικοινωνιακών σημάτων. Ο δέκτης αποτελεί μια πρακτική και αποδοτική εναλλακτική απέναντι στα κλασικά συστήματα άμεσης φώρασης και σύμφωνης ανίχνευσης, μειώνοντας σημαντικά την κατανάλωση και το κόστος. 4. Δύο συστήματα βασισμένα στη μίξη τεσσάρων κυμάτων για την υλοποίηση γραμμικών και μη γραμμικών πράξεων. Τα συστήματα αυτά επιτρέπουν την υλοποίηση διάφορων συναρτήσεων ενεργοποίησης, καθώς και τον πολλαπλασιασμό διανυσμάτων απευθείας στο οπτικό επίπεδο.