超导光电子神经元 V：网络与规模化

我们研究了超导光电子神经元网络的近期技术潜力与长期物理限制。利用一种生长模型设计具有短平均路径长度、高聚类系数和幂律度分布的网络，该模型基于空间距离及已有节点的度在新节点与已有节点间分配连接。该网络构建算法可扩展至任意层次的网络层级，并实现具有分形空间特性与高效布线的系统。通过建模超导光电子神经元的物理尺寸，我们计算了这些网络的面积。一个含8100个神经元和330,430个总突触的系统可置于1\,cm $\times$ 1\,cm的芯片上。数百万神经元与数亿突触的系统可置于300\,mm晶圆上。对于多晶圆组件，以光速通信可实现如大型数据中心规模的神经元池，包含100万亿个神经元并以1\,MHz相干振荡。假设幂律频率分布（自组织临界性所必需），我们计算了网络的功耗。我们发现，使用单光子通信与超导电路计算导致功率密度足够低，可被液$^4$He冷却，适用于任意规模的网络。