中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
傳統的人工智能（AI）機器視覺(jué)技術(shù)基于馮·諾依曼架構，使用獨立的傳感、計算和存儲單元來(lái)處理傳感終端中產(chǎn)生的海量視覺(jué)數據。然而，冗余數據在傳感器、處理器和存儲器之間的頻繁傳輸會(huì )導致高功耗和高延遲。一種更有效的方法是將部分存儲和計算任務(wù)分擔給能夠同時(shí)感知和處理光信號的傳感器元件。
近日，國科大杭州高等研究院、中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所、中國科學(xué)院大學(xué)、中國科學(xué)院合肥智能機械研究所、江淮前沿技術(shù)協(xié)同創(chuàng )新中心、俄羅斯科學(xué)院微電子技術(shù)和高純材料研究所的研究人員組成的團隊在Light: Science & Applications期刊上發(fā)表了題為“Graphene/MoS2?xOx/graphene photomemristor with tunable non-volatile responsivities for neuromorphic vision processing”的論文，提出了一種基于2D石墨烯/氧化二硫化鉬/石墨烯（Graphene/MoS2-xOx/Graphene，G/M/G）架構的雙終端非易失性光憶阻器，實(shí)現了光響應狀態(tài)的計算完整邏輯。本文提出的G/M/G光憶阻器不僅為神經(jīng)形態(tài)視覺(jué)硬件提供了多功能的傳感-存儲-計算方法，而且實(shí)現了高密度集成。
圖1 G/M/G光憶阻器及其位移和收縮磁滯電流-電壓特性
人類(lèi)視覺(jué)系統具有強大的視覺(jué)感知能力，且僅需消耗不到20瓦的功率。這些特性主要歸功于視網(wǎng)膜中對視覺(jué)信息的同步感知和早期處理以及視覺(jué)皮層中的并行處理。例如，為了高效地丟棄冗余視覺(jué)數據并加速視覺(jué)皮層中的后續處理任務(wù)，人類(lèi)視網(wǎng)膜可以通過(guò)可塑性正、負光響應提取視覺(jué)數據的關(guān)鍵特征。受人類(lèi)視覺(jué)系統的啟發(fā)，人們已開(kāi)發(fā)出具有感知能力的AI機器視覺(jué)技術(shù)。
通常，在傳統的視覺(jué)系統中，光學(xué)信息由基于幀的數字相機捕獲，然后數字信號由機器學(xué)習算法處理。在這種情況下，海量數據（大部分是冗余的）必須從獨立的傳感元件傳輸到處理單元，這導致了高延遲和高功耗。為了解決這一問(wèn)題，人們已致力于開(kāi)發(fā)一種通過(guò)模擬人類(lèi)視網(wǎng)膜某些功能的傳感器內計算技術(shù)，例如，金屬-半導體-金屬可變靈敏度光電探測器（VSPD）、可重構2D半導體光電二極管、柵極可調諧范德華異質(zhì)結構等。
上述傳感器構成了一種嵌入式的可同時(shí)感知和處理圖像的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )。然而，挑戰仍然存在?；诮饘?半導體-金屬結構的VSPD具有偏置依賴(lài)的暗電流，而基于可重構2D材料的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )圖像傳感器是易失性的，需要持續的柵極電壓來(lái)更新權重。為了開(kāi)發(fā)具有可調諧光響應的非易失性光電探測器，需要復雜的器件設計或制造工藝，例如，使用浮柵或鐵電柵電介質(zhì)。因此，為了高效地處理如此海量的數據并降低功耗，有必要開(kāi)發(fā)一種高密度集成的具有簡(jiǎn)單架構的非易失性光電探測器件。
耦合電子-離子憶阻系統通過(guò)記憶先前電輸入的歷史來(lái)調整多個(gè)電阻狀態(tài)，從而模擬生物突觸。憶阻器的導電率隨外部偏置電壓而變化，同時(shí)保持著(zhù)非易失性電阻狀態(tài)。此外，基于憶阻器的交叉陣列可以通過(guò)歐姆定律和基爾霍夫定律高效地執行矩陣-矢量積運算，實(shí)現節能的內存計算。
在本論文中，作者們提出了一種基于2D石墨烯/氧化二硫化鉬/石墨烯架構的非易失性光憶阻器，可重構的響應度可以通過(guò)電荷和/或光子通量調制，并進(jìn)一步存儲在器件中。這種G/M/G非易失性光憶阻器具有簡(jiǎn)單的雙終端架構，其中光激發(fā)載流子和氧相關(guān)離子耦合，導致電流-電壓特性中的位移和收縮磁滯。G/M/G光憶阻器組實(shí)現了光響應狀態(tài)的計算完整邏輯，同一光憶阻器可同時(shí)作為邏輯門(mén)和存儲器。本文首次以非易失性光響應作為變量，而不是光、電壓和記憶電阻等物理狀態(tài)變量。
通過(guò)使用MoS2納米晶體（NC）和CVD生長(cháng)的石墨烯作為電極，他們制造了G/M/G光憶阻器，如圖1（a）所示。MoS2納米晶體是通過(guò)液相剝離（LPE）方法制備的。為了研究雙終端G/M/G光憶阻器中的非易失性光響應性切換的機制，他們對較薄的MoS2-xOx結構進(jìn)行了原位拉曼分析，以便能夠表征底層石墨烯電極。此外，提出的G/M/G光憶阻器陣列通過(guò)多狀態(tài)光響應實(shí)現了圖像預處理和識別，為未來(lái)實(shí)現感知網(wǎng)絡(luò )提供了可能性。
圖2 G/M/G光憶阻器的光響應切換機制
圖3 基于G/M/G光憶阻器的圖像預處理和分類(lèi)
綜上所述，研究團隊提出了一種簡(jiǎn)單雙終端G/M/G架構的可調諧非易失性光憶阻器。該G/M/G光憶阻器可以在零外部電壓下以非易失性模式存儲和讀取多個(gè)光響應狀態(tài)。通過(guò)模擬人類(lèi)視網(wǎng)膜的生物功能并設計特定的器件架構，這些G/M/G光憶阻器可以作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )，并實(shí)現神經(jīng)形態(tài)的視覺(jué)處理和由電、光刺激共同觸發(fā)的完全光響應狀態(tài)邏輯運算。這種新型的雙終端G/M/G光憶阻器不僅為神經(jīng)形態(tài)視覺(jué)硬件提供了多功能的感知-存儲-計算方法，而且實(shí)現了高密度集成。
這項研究獲得了中國國家重點(diǎn)研發(fā)計劃（2021YFA0715602）、國家自然科學(xué)基金（62261136552, 62005303, 62134001, 62104053, 61973294）、俄羅斯聯(lián)邦科學(xué)和高等教育部（075-15-2020-791）、上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì )（21JC1406100，21YF1454700）、安徽省重點(diǎn)研發(fā)計劃（2022i01020020）、杭州市重點(diǎn)研發(fā)計劃（20212013B01）、浙江實(shí)驗室開(kāi)放研究項目（2022NK0AB01）和SITP創(chuàng )新基金會(huì )基金（CX-401）的支持。
