模擬人類視覺的光電器件實現(xiàn)多樣化的傳感器計算

為了理解世界，大多數(shù)人在很大程度上依賴于他們的視野。最近的研究表明，人類視覺系統(tǒng)是分層的，這意味著它在不同的層面上處理信息，從感官刺激的低級處理到與更高級認知能力相關的高級處理。

計算機科學家最近一直在嘗試開發(fā)模擬人類視覺系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，以有效地處理不同級別的信息處理。實現(xiàn)這一目標的一種擬議方法是傳感器內(nèi)計算，它需要將傳感、內(nèi)存和處理功能集成到單個設備中。

清華大學的研究人員最近開發(fā)了一種用于多樣化傳感器內(nèi)計算的新型有前途的光電器件。該設備在發(fā)表在《自然納米技術》上的一篇論文中介紹，它基于完全集成的光電憶阻器 （OEM） 陣列，這些硬件組件可以處理和存儲信息。

Heyi Huang、Xiangpeng Liang 和他們的同事在他們的論文中寫道：“基于新興器件的傳感器內(nèi)計算與互補金屬氧化物半導體 （CMOS） 電路的大規(guī)模單片集成仍然具有挑戰(zhàn)性，缺乏硬件級別的功能演示。我們報道了一個完全集成的 1 KB 陣列，具有 128 × 8 個單晶體管單光電憶阻器 （OEM） 單元和硅 CMOS 電路，它具有可配置的多模式功能，包括三種不同模式的電子憶阻器、動態(tài) OEM 和非易失性 OEM （NV-OEM）。”

研究人員展示的設備利用電和光同時處理信息和存儲數(shù)據(jù)，這對于傳感器內(nèi)計算應用至關重要。OEM 采用分層結(jié)構(gòu)，各種材料 （Pd/TiOx/ZnO/TiN） 相互重疊。

值得注意的是，該團隊完全集成的 OEM 陣列具有不同的可配置操作模式。這些模式允許系統(tǒng)模擬人類視覺系統(tǒng)的分層信息處理。

Huang、Liang和他們的同事寫道：“這些模式是通過協(xié)同光學和電操作調(diào)節(jié)氧空位內(nèi)的電荷密度來配置的，差分相差掃描透射電子顯微鏡證實了這一點。”

到目前為止，研究人員已經(jīng)在一系列初步實驗中評估了他們基于 OEM 的設備，使用它來運行計算機視覺算法。他們的發(fā)現(xiàn)非常有希望，因為 OEM 陣列在測試的所有三個視覺任務上都實現(xiàn)了良好的精度，同時功耗也更低。

Huang, Liang和他們的同事寫道：“使用這個 OEM 系統(tǒng)，展示了三個視覺處理任務：NV-OEM 模式的識別準確率從 85.7% 提高到 96.1% 的圖像傳感預處理，使用動態(tài) OEM 和 NV-OEM 模式的更高級目標跟蹤，準確率達到 96.1%，以及完全基于 OEM 的傳感器內(nèi)儲層計算系統(tǒng)的人體運動識別，準確率達到 91.2%。系統(tǒng)級基準測試進一步表明，它消耗的能源比圖形處理單元少 20 倍以上�！�

該研究團隊最近的研究引入了一種新的經(jīng)濟高效的光電平臺，該平臺可能被證明有利于實現(xiàn)各種傳感器內(nèi)計算應用。作為他們下一步研究的一部分，Huang、Liang 和他們的同事可以進一步優(yōu)化他們系統(tǒng)的性能，例如在 OEM 的頂部電極上使用透明材料來提高他們的光吸收率。

論文鏈接：https://dx.doi.org/10.1038/s41565-024-01794-z