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    作者:朱漢斌 來源:中國科學報 發布時間:2022/4/14 12:30:29
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    科學家研制出感存算一體鐵電光伏傳感器網絡

     

    華南師范大學華南先進光電子研究院研究員樊貞團隊聯合華東師范大學研究員田博博、南京大學教授劉俊明等研制出感存算一體鐵電光伏傳感器網絡,實現了零能耗圖像感知與實時處理,為開發高魯棒性、高速、低能耗的機器視覺系統提供了一條可行的技術路線。相關研究近日發表于《自然—通訊》。

    機器視覺是一種賦予機器“看”和“認知”能力的技術,已廣泛應用于日常生活中,如人臉識別、智能制造、醫學影像診斷等。傳統機器視覺系統通常由攝像頭等傳感器采集數據,再傳輸至處理器進行處理,數據在傳感、內存和處理單元之間的反復搬運,導致高能耗和高延遲,難以滿足無人駕駛等場景中海量視覺信息實時處理的需求。相比而言,人類的視覺系統不僅能夠快速完成復雜的視覺認知,而且能耗極低。因此,類腦視覺的概念被提出并迅速成為研究熱點。

    類腦視覺系統采用了近感或感內計算架構,大幅減少了功能單元間的數據搬運,從而顯著提升了視覺信息處理的速度和能效。目前已有不少類腦視覺硬件實現方案被報道,其中可調諧光電傳感器網絡因結構簡單、感存算一體而備受關注。它利用其結構單元(即可調諧光電傳感器)的光響應度(即輸出光電流與輸入光功率的比值)表示突觸權重,實現人工神經網絡算法的內嵌,進而實現圖像感知和原位處理(含識別、檢測等高級處理功能)。

    據悉,目前構建可調諧光電傳感器主要基于二維材料和憶阻材料,前者利用易失性柵控效應調控光響應度,但持續施加柵極電壓會導致額外的能耗,且需要額外的存儲單元用于保存權重;而后者利用離子遷移調控光響應度,但該過程速度較慢,且存在弛豫問題。因此,研發基于新材料、新原理的高魯棒性、高速、低能耗的可調諧光電傳感器,進而構建感存算一體傳感器網絡,具有十分重要的意義。

    研究人員首先利用鐵電Pb(Zr0.2Ti0.8)O3外延薄膜的大極化和受極化調控的光伏效應,構建了高質量鐵電光伏傳感器,實現了多級、非易失、正負對稱可調的光電流。然后將多個鐵電光伏傳感器組建成為感存算一體的人工神經網絡電路,利用光響應度表示權重,證明了原位乘累加運算的可行性,實現了零能耗圖像感知與實時處理的功能。

    該研究主要亮點和特色為:鐵電光伏傳感器利用非易失極化調控光響應度(權重),無需持續施加外電壓維持權重;鐵電光伏傳感器展示出正負對稱可調的光響應度,因此僅需單個器件便可表示正、負權重;在極化狀態一定的情況下,鐵電光伏傳感器的輸出光電流與輸入光功率之間保持線性關系,保證了乘法運算的高準確性;鐵電光伏傳感器網絡在推理過程中,每個器件均工作于短路條件下,推理過程的能耗為零。

    此外,短路條件以及極大的暗場電阻使得無光照器件的電流貢獻極小,解決了串擾問題,保證了乘累加運算的高準確性;鐵電光伏傳感器網絡在二分類圖像感知與識別任務中獲得了高達100%的準確率,在自定義圖像感知與邊緣檢測任務中獲得了高達1的F-Measure。同時利用超快的光電流產生過程以及感存算一體架構,鐵電光伏傳感器網絡能夠實現超低延時。

    相關論文信息:https://www.nature.com/articles/s41467-022-29364-8

     
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