광 뉴로모픽 연산을 위한 비휘발성 다중 모드 MVM

행렬-벡터 곱셈(MVM)은 인공신경망의 핵심 연산이지만, 기존 전자 방식은 속도와 에너지 효율성에서 한계가 있습니다. 본 연구는 이러한 병목 현상을 해결하기 위해 모드 분할 다중화(MDM)를 활용한 초소형(185 μm × 21 μm) 비휘발성 광학 MVM 엔진을 설계했습니다. 이 아키텍처는 다중 모드 간섭계 전력 분배기, 방향성 결합기 (디)멀티플렉서, 그리고 4개의 독립적으로 프로그래밍 가능한 경로로 구성된 가중치 코어를 통합합니다. 각 가중치 경로는 5개의 Ge2Sb2Se4Te1 (GSST) 상변화 셀을 직렬로 포함하여 총 20개의 셀로 이루어져 있습니다. GSST 셀을 비정질 및 결정질 상태로 전기적으로 프로그래밍하여 12996가지의 행렬 구성을 지원하며, TM0 및 TM1 모드에서 각각 11.29 dB 및 17.3 dB의 소광비를 달성합니다. 전기-열 시뮬레이션 결과, 결정화를 위해 5V, 33ns 펄스를, 비정질화를 위해 12V, 5ns 펄스를 사용하여 초고속 및 가역적 스위칭이 가능함을 확인했습니다. GSST의 비휘발성 특성은 정적 전력 소비를 제거하여 에너지 효율적인 작동을 가능하게 합니다. 완성된 MVM은 1550 nm에서 TM0 모드에 대해 2.76 dB, TM1 모드에 대해 3.64 dB의 총 삽입 손실을 보입니다. 이 장치는 40 nm 대역폭(1540–1580 nm)에서 기능을 유지하며, 에너지 효율적인 MDM 기반 광 컴퓨팅을 위한 확장 가능한 경로를 제공합니다. 이는 미래 인공지능 하드웨어의 성능 향상에 크게 기여할 잠재력을 가집니다.