MIT新突破：Nature Photonics揭秘新型光学深度神经网络系统
MIT新突破：Nature Photonics揭秘新型光学深度神经网络系统
作者：David Chandler机器之心编译参与：吴攀、黄小天、蒋思源尽管科学家和研究者一直在探索新型的计算形式，但目前电子计算仍然是绝对的主流。随着以深度学习为代表的人工智能技术的兴起，人们也开始关注如何开发出能更有效、更高速地执行神经网络运算的计算硬件。近日，麻省理工学院（MIT）的研究者在 Nature Photonics 上发表的一篇论文《Deep learning with coherent nanophotonic circuits》提出了一种使用光子技术实现神经网络的方法，而且他们还已经对这一概念进行了实验验证。MIT 官网对这一研究进行了报道解读，机器之心对这篇文章以及原论文的摘要进行了编译介绍。该概念图展示了集成在印制电路板上的可编程纳米光子（nanophotonic）处理器，其将助力深度学习计算基于模拟人类大脑激活传导的人工神经网络，与其多层叠加的「深度学习」计算机系统已经成为了计算机科学的热门话题。除了引发了如人脸识别和语音识别等技术的变革外，这些系统不仅可以利用众多的医学数据找到可以高效诊断的模式，同时还能扫描化学成分而找到可能的新药物。但是，即使对于最强大的计算机，这些系统执行所需要的计算也是十分复杂和巨量的。近日，MIT 的一个研究团队连同其他一些研究员开发了一种新型计算方式，该方法利用光而不是电，因此该计算方法能大大提高某些深度学习计算的效率和速度。该研究结果发表在近日 Nature Photonic 期刊上，而完成这项研究的人员包括 MIT 博士后 Yichen Shen、研究生 Nicholas Harris、教授 Marin Soljai 和 Dirk Englund 等人。Soljai 表示，多年来，许多研究者都声称开发出了基于光学的计算机，但是「人们太夸大其辞了，结果反噬其身」。虽然还有很多研究者提出这种光子计算机无法实现，但这个团队基于光学开发的神经网络系统「也许适用于一些深度学习应用」。传统的计算机架构对于一些重要的神经网络任务所需要的各种计算来说并不是很高效。这样的任务通常涉及到大量的矩阵乘法，因此在常规的 CPU 和 GPU 芯片上需要密集的计算。在多年的研究之后，该 MIT 研究团队找出了一种以光学执行这些操作的方案。Soljai 说：「我们这种芯片只要调试好，就能执行矩阵乘法，并在理论上几乎能立即实现零能耗（zero energy）。我们已经展示了其关键组成模块，但整个系统还没有构建完成。」作为类比，Soljai 指出即使是普通的眼镜镜片，它也对穿越的光线执行了一些列复杂的计算（即波函数的傅立叶变换）。虽然光束在新型芯片中执行的计算方式很不一样，但基本的原理都是一样的。新方法使用多条光束并通过其间的光波干涉而产生干涉图样，而这些干涉图样就承载着预设计算的结果。这种方法构建的芯片，研究者就称为可编程纳米光子处理器。Shen 说，因此原理上讲，使用这一架构的光学芯片可以更快速地执行传统人工智能算法的计算，且能耗只占传统电子芯片的千分之一不到。他说：「用光来做矩阵乘法的天然优势在加速和降低能耗方面发挥了大作用，因为密集矩阵乘法是人工智能算法中最耗能和耗时的部分。」这种新型可编程纳米光子处理器由 Harris 及其同事在 Englund 的实验室开发，使用了一个波导阵列，其中的波导以一种可按需修改的方式互连在一起，它们可以根据特定的计算对波束进行编程。Harris 说：「你可以编程任何矩阵运算。」该处理器可以引导光线穿过一系列互相耦合的光子波导。该团队的完整方案需要使用交错的器件层，其可以应用一种名为非线性激活函数（nonlinear activation function）的运算操作，该运算类似于大脑中的神经元运算。为了证明这一概念，该团队设置了可编程纳米光子处理器来实现可识别四个基本元音的神经网络。即使目前系统还很基本，但依然可以达到 77% 的准确率，与之相比，传统方法的准确率接近 90%。Soljai 说：「在扩展该系统取得更高准确率方面不存在大的障碍。」Englund 补充说可编程纳米光子处理器还有其他应用，比如，数据传输的信号处理，他说：「该系统也可以胜任高速模拟信号处理，且比其他一开始把信号转化为数字的传统方法更快，因为光在本质上是一种模拟介质。」又说：「这种方法可在模拟领域做直接处理。」该团队表示，这个系统走向实用还需更多的努力和时间；然而，一旦系统获得扩展完整运行，就能实现很多用例，比如用于数据中心或安全系统。Harris 说：「该系统也可推动无人驾驶汽车、无人机的发展，以及在你需要做大量计算却苦于没有功率或时间时，该系统都会有所帮助。」以下是对原论文的摘要介绍：论文：使用相干纳米光子电路的深度学习（Deep learning with coherent nanophotonic circuits）论文地址：/nphoton/journal/vaop/ncurrent/full/nphoton.2017.93.html人工神经网络是一种灵感来自于大脑中信号处理过程的计算网络模型。这些模型可以极大提升许多机器学习任务的表现，包括语音识别和图像识别。但是，今天的计算硬件在实现神经网络方面还很低效，这在很大程度上是因为其是为冯·诺依曼体系结构设计的。为了开发出为实现专为人工神经网络调节的电子架构，使其能实现更高的计算速度和准确度，人们已经付出了巨大的努力。在这里，我们提出了一种可用于全光学神经网络的新架构，其在理论上可以在当前最好的用于传统推理任务的电子设备的基础上实现进一步的计算速度和功率效率提升。我们使用一个硅光子集成电路进行了实验——该可编程纳米光子处理器包含一个具有 56 个马赫-曾德尔干涉仪（Mach–Zehnder interferometer）的级联阵列；该实验演示了这一概念的关键部分，并且表明了其在元音识别上的可用性。图 1：ONN 的一般架构图 2：OIU 示意图图 3：元音识别原文链接：http://news.mit.edu/2017/new-system-allows-optical-deep-learning-0612
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作者最新文章我校光学工程学科团队在世界顶级杂志NATURE PHOTONICS发表论文
&&&&&&& 该论文在庄松林院士直接领导和参与下，在陈家璧教授（第一作者）、耿涛（通讯作者）等光学工程学科团队成员共同努力下，历时7年，利用在负折射光子晶体棱镜中频率为10.6&m的激光折射，首次观察到了逆多普勒频移这一反常多普勒效应物理现象。
&&&&&&& 在刊登这篇论文的同时，NATURE PHOTONICS刊登了斯坦福大学材料学与工程系Evan J.Reed教授的一篇评论文章。他指出，“（这篇论文的）研究人员利用一块运动的负折射光子晶体与外差干涉技术结合第一次在光频段观察到了逆多普勒效应。该论文研究逆多普勒效应的方法与以往方法都不同。”“值得强调的是，陈等人的实验是二维的，而以往的实验实际上都是一维的。”他强调：“多普勒效应在天文学、医学、计量学以及大量其它应用中起着中心作用”。“陈等研究人员的验证实验不失为利用负折射材料的一个发人深省的实验。在具有奇异性质的光学材料方面的新的迅速发展必将为进一步对多普勒效应及其奇异变化的探索提供令人振奋的舞台。”
&&&&&&& 英国物理学会的PHYSICS WORLD杂志迅速报道了这项工作，指出“这一成果将会促进推广多普勒效应从天文学到医学的许多方面的应用”。美国普渡大学Ｖladimir Shalaev教授认为这项成果“是一个重要的突破性进展”。
&&&&&&& 2PHYSICS网站（主要报道物理学重要成果的网站）和LASER FOCUS杂志网站也陆续报道了这篇论文，认为其重要科学意义部分在于“多普勒效应是物理学中一个很基本的概念”，部分在于“逆多普勒效应的发现为仍存在争论的负折射现象提供了进一步的证据”。
光电信息与计算机工程学院供稿
宣传部周列编辑报道当前位置：
&&&&&&正文
《Nature Photonics》亮点报道我实验室一研究工作
1.5 μm CAppl.Phys.ExpressNaturePhotonics
在国家自然科学基金和晶体材料国家重点实验室的支持下，272 fs2.4 μmOpt. LettOpt. ExpressOpt. Lett.40. Opt.Lett.41.Opt. Express.24.
Fig. 2. Performance of BP mode-locked fiber laser at the pump power of
170mW: (a) pulse train and (b) emission spectrum.
晶体材料国家重点实验室&&地址：济南市山大南路27号电话：4&&邮编：250100Nature Photonics 影响因子37.852，期刊投稿经验分享，Nature Photonics主页，推荐审稿人、编辑，审稿周期/时间，Nature Photonics impact factor(IF)，版面费多少，中国作者发表文章，是几区，修改意见
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基本信息期刊名字NAT PHOTONICS期刊ISSN最新影响因子37.852自引率1.40%期刊官方网站期刊投稿网址是否OA开放访问No通讯方式NATURE PUBLISHING GROUP, MACMILLAN BUILDING, 4 CRINAN ST, LONDON, ENGLAND, N1 9XW涉及的研究方向物理-光学出版国家或地区ENGLAND出版周期Monthly出版年份2007年文章数121中科院SCI期刊分区（ 2016最新版本）大类学科小类学科Top期刊物理 1区PHYSICS, APPLIED物理：应用1区OPTICS光学1区Top期刊SCI期刊coveragePubMed Central (PMC)链接平均审稿速度网友分享经验：偏慢,4-8周平均录用比例网友分享经验：极难期刊常用信息链接
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Nature Photonics 的编辑under consideration一般多久
请教一下投过或周围同事投过Nature Photonics的虫子，在manuscript under consideration这个状态通常多长时间变换为下一个状态（外审或决定拒稿）？我一个稿子投了10天了一直是manuscript under consideration，不知道有没有戏。
谢谢您的信息。
谢谢关心。今天编辑来信了，高兴的通知我们说"今天开始送外审"，希望有好结果。
请问，你外审了以后，状态还是"Manuscript under consideration "吗？
如果不是了，是什么状态？
状态上看确实没改变。内部在动吧，应该
可能现在系统节点有变吧，以前投过去就是under consideration，好像过了差不多12天编辑发信说送外审，然后再就等着意见等。
楼主外审等了多久？我们等了一个月了，不知道还要等多久
最近一篇在编辑手中待了20天，后来还是拒了，郁闷
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