中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
視覺(jué)系統對生物體的生存和競爭都必不可少。在視覺(jué)信息處理過(guò)程中，在大腦視覺(jué)中樞做出復雜行為判斷之前，視網(wǎng)膜在對光刺激信號進(jìn)行檢測的同時(shí)，并行處理所捕獲的圖像信息。開(kāi)發(fā)人工視覺(jué)系統的挑戰是雙重的，既要重新創(chuàng )建動(dòng)物系統的靈活性、復雜性和適應性，又要通過(guò)高效率計算和簡(jiǎn)潔的方式來(lái)實(shí)現它。目前的人工視覺(jué)系統往往采用傳統的互補金屬氧化半導體（CMOS）或者電荷耦合器件（CCD）圖像傳感器與執行機器視覺(jué)算法的數字系統相連接來(lái)實(shí)現，這些傳統的數字人工視覺(jué)系統具有功耗高、尺寸大、成本高等缺點(diǎn)。相比而言，人類(lèi)視覺(jué)系統擁有很多帶有突觸的視神經(jīng)元，它們不僅能夠探測圖像信息，還可以存儲信息和處理數據，因此能平行地處理大量的信息，而每個(gè)突觸活動(dòng)所耗費的能量?jì)H為1-100飛焦耳。因此，將圖像感測、存儲和處理功能集成到器件的單一空間，并針對連續模擬亮度信號實(shí)時(shí)處理不同類(lèi)型的時(shí)空計算，對實(shí)現神經(jīng)形態(tài)人工視覺(jué)系統意義重大。具有神經(jīng)形態(tài)的光電傳感器通過(guò)模擬電子電路，實(shí)現由生物系統啟發(fā)的特殊視覺(jué)處理功能，這些電路特別適合于嘗試模仿生物視覺(jué)系統的構建。
近期，中國科學(xué)院金屬研究所科研人員與國內多家單位的科研團隊合作，開(kāi)發(fā)出一種柔性碳納米管-量子點(diǎn)神經(jīng)形態(tài)人工視覺(jué)芯片，研究成果于3月19日在《自然·通訊》（Nature Communications）在線(xiàn)發(fā)表，題為“面向神經(jīng)形態(tài)視覺(jué)系統的柔性超靈敏光電傳感陣列（A flexible ultrasensitive optoelectronic sensor array for neuromorphic vision systems）”。
為了構筑高性能的神經(jīng)形態(tài)視覺(jué)系統，必須首先獲得具有超高響應度、探測性和信噪比的光電傳感器。為了在極端昏暗的光線(xiàn)條件下實(shí)現增強的成像能力，科研人員設計并制備了一個(gè)1024像素的柔性光電傳感器陣列，使用半導體性碳納米管和鈣鈦礦量子點(diǎn)的組合作為神經(jīng)形態(tài)視覺(jué)系統的有源敏感材料，集成了光傳感、信息存儲和數據預處理等功能，成功實(shí)現了視覺(jué)圖像強化學(xué)習過(guò)程。這兩類(lèi)材料都具有優(yōu)異的柔韌性、穩定性及工藝兼容等特點(diǎn)，通過(guò)材料組合為實(shí)現兼具生物體靈活性、復雜性和適應性的神經(jīng)形態(tài)人工視覺(jué)傳感器提供了新策略。這也是第一次通過(guò)高集成度物理器件陣列方式，實(shí)現超弱光脈沖（1μW/cm2）響應，并完成神經(jīng)形態(tài)強化學(xué)習的案例。與生物系統行為類(lèi)似，光電傳感器、存儲元件和數據分析處理等組件在陣列中共享物理空間，并實(shí)時(shí)并行處理信息，這些結果對于試圖模仿生物視覺(jué)處理的人工視覺(jué)系統具有重要的啟發(fā)意義。
該工作由中科院金屬所孫東明、成會(huì )明課題組與南京理工大學(xué)李曉明、曾海波課題組，中科院蘇州納米所邱松、李清文課題組，東北大學(xué)田亞男和南京大學(xué)王肖沐等單位合作完成。中科院金屬所博士生朱錢(qián)兵、李波為共同第一作者。該研究計劃得到了國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、中科院先導項目和沈陽(yáng)材料科學(xué)國家研究中心等項目支持。
圖1. 單元器件設計與性能。半導體性碳納米管和無(wú)機鈣鈦礦量子的復合薄膜構成器件的溝道材料。其中，量子點(diǎn)作為感光層和光生電荷俘獲層，高純度半導體性碳納米管薄膜作為載流子傳輸層。a. 結構示意圖；b. 柔性人工視覺(jué)芯片外觀(guān)圖（標尺，5 mm）；c. 不同光強下的器件轉移特性曲線(xiàn)；d. 暗態(tài)（上圖）與光照（下圖）條件下的作用機制。
圖2. 光電響應與神經(jīng)突觸特性。a. 響應度、外量子效率與激光功率密度關(guān)系，其中響應度高達5.1×107 A/W； b. 探測度與激光功率密度關(guān)系，其中探測度高達2×1016 Jones；c. 基于不同類(lèi)別材料的器件響應度-探測度綜合性能對比；d. 光學(xué)和電學(xué)激勵下的器件開(kāi)關(guān)響應特性，其中信噪比大于>105；e. 人工神經(jīng)突觸的雙脈沖易化（PPF）性能；f. 人工神經(jīng)突觸的長(cháng)程增強現象。
圖3. 碳納米管-量子點(diǎn)神經(jīng)形態(tài)人工視覺(jué)光電傳感器。a. 人工視覺(jué)芯片外觀(guān)圖（標尺，5 mm）；b. 1024像素傳感器陣列光學(xué)照片（標尺，0.5 mm）；c. 單元像素的光學(xué)照片（標尺，20μm）； d. 人類(lèi)視覺(jué)皮層針對不同人臉形成的差異性印象的示意圖；e. 初始狀態(tài)以及在10、20、50、100和200個(gè)光脈沖訓練后數字“8”突觸權重結果。其中，激光波長(cháng)405nm，激光功率密度 1μW/cm2，光脈沖寬度250ms，脈沖間隔250ms；f. 初始狀態(tài)以及在4.0μW/cm2, 0.3mW/cm2, 1.0mW/cm2, 2.5mW/cm2 和 4.0mW/cm2功率密度下訓練10個(gè)光脈沖后數字“8”的突觸權重結果。其中，激光波長(cháng)405nm，光脈沖寬度250ms，脈沖間隔250ms；g. 人類(lèi)面部（論文第一作者）的識別訓練過(guò)程模擬。
