GBZ 276-2026 光电计算 光脉冲神经元性能测试方法

前言

本文件为规范类指导性技术文件

本文件按照 GB/T 1.1—2020《标准化工作导则 第1部分:标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。

请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。

本文件由全国智能计算标准化工作组(SAC/SWG 32)提出并归口。

本文件起草单位:西安电子科技大学、之江实验室、北京航天计量测试技术研究所、华中科技大学、杭州爱杰光电科技有限公司、上海曦智科技股份有限公司、联合微电子中心有限责任公司、西南交通大学、苏州大学、电子科技大学、甬江实验室、南通奇波科技有限公司、中移(苏州)软件技术有限公司

本文件主要起草人:项水英、张萌、虞绍良、张雅慧、李振廷、冯宇祥、郭星星、王忠新、董建绩、周治平、于山山、李强、张力月、李念强、江宁、施跃春、田野、张强、黄于、方英俊、杨毅、郭良帅。

1 范围

本文件给出了光脉冲神经元的测试系统和测试环境,描述了光脉冲神经元的兴奋性阈值、时域累积和不应期特性的测试方法。

本文件适用于采用半导体材料研制的光脉冲神经元(以下简称“神经元”)性能测试。

2 规范性引用文件

本文件没有规范性引用文件。

3 术语和定义

下列术语和定义适用于本文件。

3.1

光脉冲神经元 photonic spiking neuron

模拟生物神经元特性的光电元器件。

3.2 兴奋性阈值 excitability threshold

触发光电元器件产生一个脉冲输出的最小输入光脉冲信号强度。

3.3 时域累积 temporal-integration

光电元器件在一段时间窗口内,对连续或先后输入的多个弱光脉冲信号进行能量叠加、载流子累积,使总累积量达到兴奋性阈值,从而触发一个输出光脉冲的过程。

3.4 不应期 refractory period

光电元器件在发放一次光脉冲之后,在一段有限的时间内,对新的输入光脉冲信号无法再次触发脉冲输出的这段时间间隔。

4 神经元控制方式

在神经元的电极施加电压、电流作为工作点控制信号。在光输入端口注入光信号作为神经元的刺激信号。从光输出端口观测神经元对刺激信号的响应。

5 测试系统

5.1 概述

神经元测试系统见图1,包括光信号输入模块、待测光电元器件、探测模块、驱动控制模块。

5.2 技术要求

光信号输入模块应为待测元器件提供不同信号宽度、不同信号幅度、不同脉冲间隔、不同光功率的输入脉冲信号,根据神经元手册,保证待测元器件接收到适配的光信号。

注:能使用可调谐光源提供光载波,能使用任意波形发生器或现场可编程门阵列(FPGA)提供射频信号,能使用调制器把射频信号调制到光路上。

驱动控制模块包括电控和温控,应为待测元器件提供稳定的驱动电流、电压及工作温度,保证待测元器件的正常工作。

注:能使用电压源为待测元器件供电压,使用温度控制器控制待测元器件的工作温度。

探测模块应接收待测元器件的输出,保证待测元器件的时域响应被观测到。

注:能使用光电探测器把光信号转为电信号,在示波器上观测时域响应。

6 环境条件

除另有规定外,测试应在下列环境条件下进行:

a) 温度: (23±5)^°C ;

b) 相对湿度:10%~75%;

c) 测试中需提供接地和防静电措施。

7 测试方法

7.1 兴奋性阈值

兴奋性阈值的测试步骤如下。

a) 设置光信号输入模块,保证模块输出的波形见图2a),基底信号接近0 mV,且脉冲强度不损坏待测元器件。光信号输入模块输出10个或者多个强度等幅增大的脉冲信号。幅度根据神经元手册自行设置。根据测试阈值精度需求自行设置脉冲信号个数

b) 通过光信号输入模块偏振态、注入强度、注入波长的调节,在探测模块中观测试验结果,当出现图2b)的结果时,即较小幅度刺激不能触发光脉冲神经元产生输出脉冲,较大幅度刺激触发光脉冲神经元产生输出脉冲,记录第一个触发输出脉冲的脉冲幅值为 V₁

兴奋性阈值 V_thr 为刺激脉冲串中第一个能够触发输出脉冲的刺激幅值 V₁

7.2 时域累积

时域累积为一个过程,使用可累积的时间窗口表征这个过程。通过输入不同时间间隔脉冲对,测试可累积时间窗口。时域累积的测试步骤如下。

a) 设置光信号输入模块,保证模块输出的波形见图3a),且强度不损坏待测元器件。光信号输入模块输出为1个小幅度刺激脉冲、10组或多种脉冲间隔逐渐增加的刺激脉冲对,且幅度与小幅度刺激脉冲的幅度相同,1个大幅度刺激脉冲。幅值、脉冲间隔根据神经元手册、测试时域累积精度自行设置。

b) 通过光信号输入模块偏振态、注入强度、注入波长的调节,在探测模块中观测试验结果,当出现图3b)的结果时,即单个小幅度刺激不能触发光脉冲神经元产生输出脉冲,间隔较小的刺激脉冲对累积触发输出脉冲,间隔较大的刺激脉冲对不能累积触发输出脉冲,记录最后一个触发输出脉冲的刺激脉冲对间隔为 T₁

时域累积窗口 T_int 为刺激脉冲串中最后一个触发输出脉冲的刺激脉冲对间隔 T₁

7.3 不应期

不应期的测试步骤如下。

a) 设置光信号输入模块,保证模块输出的波形见图4a),且强度不损坏待测元器件。光信号输入模块输出为1个较大幅度刺激脉冲、10组或多组脉冲间隔逐渐增加的刺激脉冲对,且幅度与大幅度刺激脉冲的幅度相同。脉冲对幅度与间隔根据神经元手册、测试不应期精度自行设置

b) 通过光信号输入模块偏振态、注入强度、注入波长的调节,在探测模块中观测试验结果,当出现图4b)的结果时,即单个大幅度刺激触发光脉冲神经元产生1个输出脉冲,间隔较小的刺激脉冲对触发光脉冲神经元产生1个输出脉冲,间隔较大的刺激脉冲对触发光脉冲神经元产生2个输出脉冲,记录刺激脉冲串中,最后一个触发产生1个脉冲的刺激脉冲对间隔为 T₃

不应期 T_ref 为刺激脉冲串中最后一个触发产生1个脉冲的刺激脉冲对间隔 T₃

8 测试报告

测试报告中应给出下列信息:

a) 测试人员及测试时间;

b) 样品描述,包括但不限于光电元器件型号或编号、光电元器件结构;

c) 本文件编号;

d) 测试装置说明;

e) 环境(温度、湿度、防静电是否良好等);

f) 测试采用的基本方法;

g) 测试结果(达到兴奋性阈值所需的脉冲幅度;光脉冲神经元的可累积时间窗口;光脉冲神经元的不应期)。

测试报告模板见附录 A。

附 录 A (资料性)

测试报告模板

测试报告模板见表 A.1。