【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，北京理工大學(xué)集成電路與電子學(xué)院柔性電子器件與智造研究所沈國震團(tuán)隊(duì)在傳感器內(nèi)運(yùn)算器件領(lǐng)域取得進(jìn)展，相關(guān)成果以“Reconfigurable Hydroxyl Dissociation for Spectrally Decoupled Weight Programming and Photocurrent Computing”為題發(fā)表于期刊《Advanced Materials》。該研究提出了一種新型傳感器內(nèi)運(yùn)算器件模型，利用紫外光下Bi2O2Se(BOS)可重構(gòu)羥基解離行為，實(shí)現(xiàn)不同波長下的響應(yīng)度權(quán)重編程與光電流計(jì)算過程的解耦，解決了傳統(tǒng)光電流計(jì)算器件光權(quán)重寫入和計(jì)算過程中干擾問題，為全光編程與計(jì)算的邊緣視覺器件提供新思路。
 

　　隨著人工智能物聯(lián)網(wǎng)的興起，對(duì)尺寸小、重量輕、功耗低的傳感系統(tǒng)的需求不斷增加，然而，傳感器節(jié)點(diǎn)的指數(shù)級(jí)增長產(chǎn)生了大量未結(jié)構(gòu)化的原始數(shù)據(jù)，產(chǎn)生了不小的數(shù)據(jù)處理壓力，“傳感器內(nèi)處理(PIS)” 旨在將原始計(jì)算任務(wù)直接在感知光信號(hào)的傳感器上完成，從而減少需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。實(shí)現(xiàn)光電子PIS系統(tǒng)需要新興的器件物理，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)功能——特別是乘積累加(MAC)操作，直接嵌入到成像過程中。當(dāng)前的主要方法分為兩類：
 

　　1)光電子電阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(ORRAM，或“光突觸”)利用持久光導(dǎo)性從電荷捕獲或相變等機(jī)制中建立光可調(diào)、非易失性電導(dǎo)作為突觸權(quán)重；
 

　　2)直接光電流計(jì)算(DPC)方法使用光響應(yīng)性作為突觸權(quán)重，使MAC操作在光照明時(shí)自發(fā)發(fā)生。
 

圖1. 三種光電神經(jīng)形態(tài)器件
 

　　然而，當(dāng)前DPC器件的關(guān)鍵限制是它們完全依賴于電信號(hào)進(jìn)行權(quán)重編程，這需要特定的外圍電路，且讀出光電流可能會(huì)干擾存儲(chǔ)的權(quán)重值。相比之下，在DPC器件中實(shí)現(xiàn)光權(quán)重編程提供了一個(gè)變革性的機(jī)會(huì)，其可提供速度和帶寬的固有優(yōu)勢(shì)，而主要挑戰(zhàn)是解決光權(quán)重寫入和基于成像的計(jì)算過程之間的基本干擾。
 

　　該研究提出了基于BOS材料平臺(tái)的光可編程直接光電流計(jì)算器件，通過紫外光實(shí)現(xiàn)的可逆表面羥基解離重新配置氧空位動(dòng)力學(xué)，從而實(shí)現(xiàn)光譜解耦的權(quán)重編程和光電流計(jì)算。作者通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，紫外光照射下，BOS材料表面的羥基發(fā)生解離，生成氧空位，這些氧空位作為有效的空穴捕獲中心，導(dǎo)致持久光導(dǎo)性(PPC)的出現(xiàn)。該P(yáng)PC效應(yīng)不僅增強(qiáng)了材料在可見光范圍內(nèi)的光響應(yīng)性，還為DPC提供了一個(gè)非易失性的突觸權(quán)重。
 

圖2. 基于BOS實(shí)現(xiàn)的DPC器件原型及其測(cè)試結(jié)果
 

　　基于此，作者實(shí)現(xiàn)了PIS陣列硬件，用于低功耗的粗分類任務(wù)，并作為更復(fù)雜視覺任務(wù)的預(yù)處理單元。此外，作者還提出了一個(gè)混合模型，將PIS前端與PNS后端相結(jié)合，在不同任務(wù)負(fù)載得情況下，有目的得在兩者之間分配計(jì)算資源，以實(shí)現(xiàn)功耗和性能的平衡。這一模型在低功耗、簡單特征提取的PIS模式下運(yùn)行，僅在檢測(cè)到感興趣區(qū)域時(shí)切換到高性能的近傳感器(PNS)模式，將復(fù)雜的細(xì)處理任務(wù)分配給近傳感器處理。這種混合策略為現(xiàn)代邊緣視覺系統(tǒng)提供了一種高效、多功能的操作方案。
 

圖3. 不同視覺任務(wù)分配計(jì)算資源的分層處理流程
 

　　該研究成果的第一完成單位為北京理工大學(xué)，沈國震教授、王卓然教授與博士后冉文浩為通訊作者，集成電路與電子學(xué)院碩士研究生張圣強(qiáng)、王卓然教授、與王磊教授(南京郵電大學(xué)集成電路科學(xué)與工程學(xué)院)為論文共同第一作者。
 

　　該工作得到了中國國家自然科學(xué)基金會(huì)、河北自然科學(xué)基金會(huì)、北京自然科學(xué)基金會(huì)、北京工業(yè)研究院研究發(fā)現(xiàn)項(xiàng)目和科學(xué)科學(xué)基金會(huì)博士后項(xiàng)目的支持。