一种光子计算芯片多通道之间的校准方法与流程

本发明属于光芯片，尤其涉及一种光子计算芯片多通道之间的校准方法。

背景技术：

1、在ai计算的过程中电子芯片承担了数据传输及计算的重要角色。人造神经算法整个过程包含有大量矩阵相乘的运算，而基于传统计算机架构的cpu 在处理这些运算的时候非常吃力，计算效率较低。因此学术界和业界转而关注专门用于人造神经网络和深度学习的新型硬件结构，如 gpu、asic 和 fpga 等。然而，无论何种技术架构，都是利用传统的微电子技术来进行设计和制造的。ai 芯片性能的提升离不开微电子集成度的提高。然而在21 世纪初，微电子工艺已经很难按照摩尔定律的预测发展，提升芯片集成度的难度不断增大。

2、与电子相比，光子具有许多独特的性质：光子无静止质量，光子之间无相互作用力，也几乎没有干扰；光的不同波长可用于多路同时通讯，在几十赫兹的调制频率下，光子仍然可以获得稳定的调制和信息传递，而电信号则面临着高频下的辐射损耗问题；此外，光信号不受电磁场干扰，保密性强。更为独特的是，利用一些特定光学结构，光子可以在零能耗下进行一些数学运算。因此，利用光子可以实现超高速、低能耗甚至零能耗计算，进而突破传统微电子芯片在性能和成本上的瓶颈。

3、随着半导体行业逐步进入后摩尔时代，集成电路的发展按照不同的方向继续演进。一方面，发展新型半导体材料，特别是碳纳米管、二维半导体材料等，延续摩尔定律的精髓，继续缩小器件或芯片尺寸，即“深度摩尔”（more moore）；另一方面，针对特定的应用领域，开发新型架构和异质集成芯片，例如神经形态芯片，光电子芯片，量子芯片等，实现“超越摩尔”（more than moore）。

4、其中，以硅基光电子技术为基础的光子计算芯片，使用与集成电路兼容的材料和工艺，将微米和纳米尺度的光子、电子和光电子器件集成在同一个硅衬底上，以实现微电子器件和光电子器件的功能集成和优势互补，获得性能优越的光电子芯片，是解决传统集成电路面临的性能瓶颈和信息拥堵的有效途径。得益于光纤通信的成熟应用，光子作为信息载体，相比电子，具有更多复用维度，例如振幅、相位、波长、模式等，进而具备更大的带宽、更快的速度以及更低的能耗。早期的硅基光电子芯片是为了替代铜互联技术，解决微电子芯片处理器核心和存储器之间的互联通信瓶颈，微处理器和存储单元由微电子器件实现，而光子器件主要完成信号收发和信息传输。随着硅光工艺的日渐成熟和光通信的巨大优势，人们对硅光子计算芯片的关注从信息传输逐渐转向信息处理，包括模拟计算，量子计算，类脑计算等前沿应用领域。

5、由于光芯片生产过程中的工艺误差以及光纤阵列的耦合误差，每个计算通道之间不可能完全一致。通道之间的不一致会导致计算精度受到影响。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种光子计算芯片多通道之间的校准方法，部分地解决或缓解现有技术中的上述不足，能够进行计算通道之间的一致性校准，从而确保光子计算芯片的计算精度。

2、为了解决上述所提到的技术问题，本发明具体采用以下技术方案：一种光子计算芯片多通道之间的校准方法，包括：

3、向计算模块逐通道输入相同的校准光信号，获取每条通道的校准输出值；

4、选择某一条通道作为基准通道，将基准通道的校准输出值作为基准校准输出值；其余通道作为待校准通道；

5、对每条待校准通道计算模块的输入光信号进行调整，从而使得在光源模块输入校准光信号的情况下，计算模块每条待校准通道的校准输出值均为基准校准输出值。

6、作为一种改进，利用校准模块对待校准通道的输入光信号进行调整；所述校准模块包括若干子模块，所述子模块与调制器阵列中调制器一一对应；所述校准模块设置在光源模块和调制器阵列之间，或者设置在调制器阵列和计算模块之间；

7、在校准模块设置在光源模块和调制器阵列之间的情况下，所述光源模块的输出光信号为校准模块的输入光信号；所述校准模块根据外部控制电信号对光源模块的输出光信号进行调整，从而形成调制器阵列的输入光信号；

8、在校准模块设置在调制器阵列和计算模块之间的情况下，所述调制器阵列的输出光信号为校准模块的输入光信号；所述校准模块根据外部控制电信号对调制器阵列的输出光信号进行调整，从而形成计算模块的输入光信号。

9、作为一种改进，对每条待校准通道的输入光信号进行调整的步骤包括：

10、将基准校准输出值作为自变量输入待校准通道预先拟合的匹配函数中获得对应的外部控制电信号；或者，从待校准通道预先构建的匹配表中查找基准校准输出值对应的外部控制电信号；

11、通过校准模块根据外部控制电信号对来自光源模块的输出光信号进行调整。

12、作为一种改进，所述匹配函数的拟合步骤包括：

13、记录待校准通道在校准光信号下若干外部控制电信号以及对应的输出值；

14、将外部控制电信号以及对应的输出值作为二维坐标系下的离散点；

15、将离散点拟合成曲线；

16、将曲线的表达函数作为该待校准通道的匹配函数。

17、作为一种改进，将离散点拟合成曲线的方法为最小二乘法拟合、多项式拟合、样条插值拟合、非参数拟合中的一种。

18、作为一种改进，所述匹配表的构建步骤包括：

19、按照设定步长，获取待校准通道在校准光信号下所有外部控制电信号以及对应的输出值；

20、根据获取到的外部控制电信号以及对应的输出值构建该待校准通道的匹配表。

21、作为一种改进，获取设定步长的步骤包括：

22、初始化步长，按照初始化步长调整外部控制电信号；

23、对比相邻外部控制电信号下光信号调制器的输出值；若差值的绝对值小于差值阈值范围，则将当前步长加上预设的增量步长作为下一次调整的步长；若差值的绝对值在差值阈值范围内，则步长不变；若差值的绝对值大于差值阈值范围，则将当前步长减去增量步长作为下一次调整的步长。

24、作为一种改进，从外部控制电信号正常工作电压范围的下限开始向上调整，或者，从外部控制电信号正常工作电压范围的上限开始向下调整外部控制电信号。

25、作为一种改进，所述外部控制电信号为电压或者电流。

26、作为一种改进，将校准输出值最小的通道作为基准通道。

27、有益效果：本发明提供的光子计算芯片设置有校准模块；所述校准模块包括若干子模块，所述子模块与调制器阵列中光信号调制器一一对应；所述校准模块可调整每条待校准通道上计算模块的输入光信号，从而使得在光源模块输入校准光信号的情况下，计算模块每条待校准通道的校准输出值均为基准校准输出值。

28、本发明通过对光源模块的输出光信号或者调制器的输出光信号的调整，改变计算模块中对应光信号通路的输入。原本由于制造工艺误差以及光纤耦合精度误差造成的光信号通路的不一致，通过输入光信号调整，使得最终的输出结构达到一致。本发明通过硬件上设置校准模块改变光信号，无需在计算模块中加入校准系数，从而减轻了计算模块的负担。

29、另外，本发明还基于上述光子计算芯片提供一种光子芯片的校准方法，在校准时，光源模块向计算模块逐通道输入相同的校准光信号，获取每条通道的校准输出值。将校准输出值最小的通道作为基准通道，将基准通道的校准输出值作为基准校准输出值；其余通道作为待校准通道；校准模块根据外部控制电信号对每条待校准通道计算模块的输入光信号进行调整，从而使得在光源模块输入校准光信号的情况下，计算模块每条待校准通道的校准输出值均为基准校准输出值。

30、在校准完毕后，将每条通道对应的校准模块子模块中固化其输出基准校准输出值时的外部控制电信号，使得以后的每次使用其光信号都预先被调整。无需再从计算模块中进行软校准。

31、本发明还提供了如何获取外部控制电信号具体数值的方法，其一为函数拟合法，其二为查表法。通过上述两种方法，只要获得基准校准输出值，即可反推出所需的外部控制电信号，简单快捷。在光芯片初始化时，能够迅速地进行计算通道的校准。