Red neuronal plasmónica programable para microondas

Ryan Humphrey

18/05/2023


Investigadores de la Universidad del Sudeste de China han desarrollado una red neuronal programable que utiliza un polaritón falso de plasmón de superficie, una onda electromagnética que se propaga a lo largo de interfaces planas.

Célula SSPP programable, supercélula y SPNN parcialmente conectada. a: Se construye una sola celda programable SSPP integrando los varactores, detectores y amplificadores sobre la interconexión SSPP con cuatro puertos de entrada y un puerto de salida. El varactor es controlado por el voltaje de polarización aplicado para formar un divisor de potencia de relación ajustable mezclando las señales de entrada con factores de ponderación definidos por el usuario. Los detectores miden la intensidad de la señal de salida, que se convierte y retroalimenta al amplificador de potencia, implementando una función de activación programable. El panel muestra las celdas de salida programables con detectores y amplificadores de potencia, mientras que se han omitido los detectores y amplificadores en las celdas de entrada programables. b, Una supercélula programable que consta de ocho células programables (cuatro entradas y cuatro salidas) capaces de realizar una multiplicación de matrices de 4 × 4. c: un SPNN parcialmente conectado con 16 entradas y 12 salidas para realizar la tarea de clasificación del conjunto de datos MNIST. En comparación con una contraparte totalmente conectada, la SPNN parcialmente conectada reduce la complejidad del enrutamiento entre capas de celdas sin sacrificar el rendimiento. Crédito de la foto: Gao et al.
Célula SSPP programable, supercélula y SPNN parcialmente conectada. a: Se construye una sola celda programable SSPP integrando los varactores, detectores y amplificadores sobre la interconexión SSPP con cuatro puertos de entrada y un puerto de salida. El varactor es controlado por el voltaje de polarización aplicado para formar un divisor de potencia de relación ajustable mezclando las señales de entrada con factores de ponderación definidos por el usuario. Los detectores miden la intensidad de la señal de salida, que se convierte y retroalimenta al amplificador de potencia, implementando una función de activación programable. El panel muestra las celdas de salida programables con detectores y amplificadores de potencia, mientras que se han omitido los detectores y amplificadores en las celdas de entrada programables. b, Una supercélula programable que consta de ocho células programables (cuatro entradas y cuatro salidas) capaces de realizar una multiplicación de matrices de 4 × 4. c: un SPNN parcialmente conectado con 16 entradas y 12 salidas para realizar la tarea de clasificación del conjunto de datos MNIST. En comparación con una contraparte totalmente conectada, la SPNN parcialmente conectada reduce la complejidad del enrutamiento entre capas de celdas sin sacrificar el rendimiento. Crédito de la foto: Gao et al.

Las herramientas de inteligencia artificial (IA) basadas en redes neuronales artificiales (ANN) se utilizan en varios campos para resolver problemas de manera más rápida y eficiente. Los ingenieros están explorando dispositivos de óptica difractiva como una plataforma alternativa para ejecutar estos algoritmos.

Un equipo de investigación dirigido por el profesor Tie Jun Cui de la Universidad del Sudeste de China ha creado una red neuronal programable que utiliza polaritón de plasmón de superficie falso (SSPP), una onda electromagnética de superficie que viaja a lo largo de interfaces planas. Los investigadores se propusieron mejorar el rendimiento y la aplicabilidad de las redes neuronales a diversos problemas. La arquitectura SPNN (Surface Plasmonic Neural Network) propuesta es programable con diferentes configuraciones de peso y, por lo tanto, puede generalizarse entre tareas.

El equipo creó una red neuronal con pesos programables y funciones de activación que permiten altas velocidades de procesamiento cercanas a la velocidad de la luz. El SPNN se construyó capa por capa utilizando supercélulas SSPP programables, cada una con cuatro entradas y cuatro salidas. Estas supercélulas constan de ocho células SSPP programables dispuestas en una estructura compuesta tridimensional que permite una interconexión total. Las supercélulas programables que consisten en divisores de potencia SSPP y acopladores manipulan las ondas electromagnéticas para realizar redes neuronales plasmónicas. Los investigadores explicaron que los voltajes del varactor en los acopladores cambian los parámetros de peso del SPNN y que su función de activación se puede ajustar haciendo que los detectores detecten la intensidad de entrada y devuelvan el umbral a un amplificador. El SPNN puede realizar tareas de clasificación de imágenes y comunicación inalámbrica para la decodificación y reconstrucción de imágenes.

SPNN tiene pesos programables y funciones de activación, lo que lo hace versátil. Ofrece un rango dinámico más amplio que los enfoques anteriores que usaban materiales de cambio de fase. La flexibilidad de las redes neuronales profundas difractivas en el procesamiento de ondas electromagnéticas está limitada por la falta de funciones de activación no lineales, lo que dificulta abordar problemas complejos como las operaciones lógicas XOR. El SPNN programable propuesto por el equipo, que utiliza dispositivos plasmónicos de superficie digital, podría introducir nuevos conceptos en el campo. Con una arquitectura simple, bajo costo y alta eficiencia, los dispositivos SSPP programables pueden manipular ondas electromagnéticas, lo que los convierte en una plataforma prometedora para construir redes neuronales programables. Un sistema de retroalimentación de circuito cerrado entre los pines de detección y los circuitos de polarización del amplificador también puede permitir funciones de activación programables.

El SPNN desarrollado por el equipo podría permitir la detección y el procesamiento de microondas a gran escala, lo que podría abrir nuevas posibilidades para las comunicaciones inalámbricas 5G y 6G. A diferencia de las soluciones anteriores basadas en ANN, SPNN puede modular directamente las ondas electromagnéticas a casi la velocidad de la luz.

Referencia: Xinxin Gao et al., Redes neuronales plasmónicas de superficie programables para detección y procesamiento de microondas, electrónica natural (2023). DOI: 10.1038/s41928-023-00951-x

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Ryan Humphrey

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