用于神經(jīng)形態(tài)視覺(jué)處理的G/M/G光憶阻器

傳統(tǒng)的人工智能（AI）機(jī)器視覺(jué)技術(shù)基于馮·諾依曼架構(gòu)，使用獨(dú)立的傳感、計(jì)算和存儲(chǔ)單元來(lái)處理傳感終端中產(chǎn)生的海量視覺(jué)數(shù)據(jù)。然而，冗余數(shù)據(jù)在傳感器、處理器和存儲(chǔ)器之間的頻繁傳輸會(huì)導(dǎo)致高功耗和高延遲。一種更有效的方法是將部分存儲(chǔ)和計(jì)算任務(wù)分擔(dān)給能夠同時(shí)感知和處理光信號(hào)的傳感器元件。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，國(guó)科大杭州高等研究院、中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院合肥智能機(jī)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(tuán)隊(duì)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(gòu)的雙終端非易失性光憶阻器，實(shí)現(xiàn)了光響應(yīng)狀態(tài)的計(jì)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(chǔ)-計(jì)算方法，而且實(shí)現(xiàn)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

人類視覺(jué)系統(tǒng)具有強(qiáng)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?dú)w功于視網(wǎng)膜中對(duì)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(shù)據(jù)并加速視覺(jué)皮層中的后續(xù)處理任務(wù)，人類視網(wǎng)膜可以通過(guò)可塑性正、負(fù)光響應(yīng)提取視覺(jué)數(shù)據(jù)的關(guān)鍵特征。受人類視覺(jué)系統(tǒng)的啟發(fā)，人們已開(kāi)發(fā)出具有感知能力的AI機(jī)器視覺(jué)技術(shù)。

通常，在傳統(tǒng)的視覺(jué)系統(tǒng)中，光學(xué)信息由基于幀的數(shù)字相機(jī)捕獲，然后數(shù)字信號(hào)由機(jī)器學(xué)習(xí)算法處理。在這種情況下，海量數(shù)據(jù)（大部分是冗余的）必須從獨(dú)立的傳感元件傳輸?shù)教幚韱卧?，這導(dǎo)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)模擬人類視網(wǎng)膜某些功能的傳感器內(nèi)計(jì)算技術(shù)，例如，金屬-半導(dǎo)體-金屬可變靈敏度光電探測(cè)器（VSPD）、可重構(gòu)2D半導(dǎo)體光電二極管、柵極可調(diào)諧范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)等。

上述傳感器構(gòu)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(zhàn)仍然存在?；诮饘?半導(dǎo)體-金屬結(jié)構(gòu)的VSPD具有偏置依賴的暗電流，而基于可重構(gòu)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(xù)的柵極電壓來(lái)更新權(quán)重。為了開(kāi)發(fā)具有可調(diào)諧光響應(yīng)的非易失性光電探測(cè)器，需要復(fù)雜的器件設(shè)計(jì)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(shù)據(jù)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(gòu)的非易失性光電探測(cè)器件。

耦合電子-離子憶阻系統(tǒng)通過(guò)記憶先前電輸入的歷史來(lái)調(diào)整多個(gè)電阻狀態(tài)，從而模擬生物突觸。憶阻器的導(dǎo)電率隨外部偏置電壓而變化，同時(shí)保持著非易失性電阻狀態(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(zhí)行矩陣-矢量積運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的內(nèi)存計(jì)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(gòu)的非易失性光憶阻器，可重構(gòu)的響應(yīng)度可以通過(guò)電荷和/或光子通量調(diào)制，并進(jìn)一步存儲(chǔ)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(gòu)，其中光激發(fā)載流子和氧相關(guān)離子耦合，導(dǎo)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(xiàn)了光響應(yīng)狀態(tài)的計(jì)算完整邏輯，同一光憶阻器可同時(shí)作為邏輯門(mén)和存儲(chǔ)器。本文首次以非易失性光響應(yīng)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(zhǎng)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(yīng)性切換的機(jī)制，他們對(duì)較薄的MoS2-xOx結(jié)構(gòu)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(yīng)實(shí)現(xiàn)了圖像預(yù)處理和識(shí)別，為未來(lái)實(shí)現(xiàn)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(yīng)切換機(jī)制

圖3 基于G/M/G光憶阻器的圖像預(yù)處理和分類

綜上所述，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種簡(jiǎn)單雙終端G/M/G架構(gòu)的可調(diào)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(chǔ)和讀取多個(gè)光響應(yīng)狀態(tài)。通過(guò)模擬人類視網(wǎng)膜的生物功能并設(shè)計(jì)特定的器件架構(gòu)，這些G/M/G光憶阻器可以作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并實(shí)現(xiàn)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(yīng)狀態(tài)邏輯運(yùn)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(chǔ)-計(jì)算方法，而且實(shí)現(xiàn)了高密度集成。

審核編輯：劉清