清華大學提出光譜成像芯片2.0，世界首款“物譜芯片”！

算力是智能時代最重要的基石和引擎，而視覺是人類和機器感知世界最重要的途徑�！案兴阋惑w芯片”作為人工智能時代重要的基礎(chǔ)模塊，可以為手機、機器人、無人機等一系列小型化、便攜化終端設(shè)備賦能感知與計算的強大能力。清華大學電子系黃翊東教授團隊崔開宇課題組提出世界首款“物譜芯片”——光譜成像芯片2.0，即物質(zhì)成像光譜卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片，是面向復雜視覺任務(wù)的感算一體芯片，也是首個可以用含有物質(zhì)光譜信息的自然光直接作為輸入的光計算芯片，突破了現(xiàn)有光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)大多都難以落地到實際應用的困境，真正實現(xiàn)真實世界的復雜視覺計算任務(wù)。

隨著大數(shù)據(jù)大模型對算力需求呈現(xiàn)遠超摩爾定律增長的趨勢,電子計算平臺的能耗大且計算速度有限，嚴重限制了邊緣設(shè)備上人工智能模型的發(fā)展。光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有計算速度快、并行性高、功耗低的明顯優(yōu)勢，被認為是最有前途的下一代并行計算方案。然而受限于片上集成的規(guī)模問題以及對相干光源的依賴性，現(xiàn)有的光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)大多都難以落地到實際的應用場景中，只能用在圖像邊緣檢測、手寫數(shù)字識別等簡單的任務(wù)上。

受生物視覺啟發(fā)的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Convolutional Neural Network，CNN），能夠提取圖像的高維特征并顯著降低神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理圖像數(shù)據(jù)所需的參數(shù)量，在圖像識別、分割、檢測等機器視覺任務(wù)中得到廣泛應用。崔開宇課題組提出新的感算一體式解決思路，即光譜卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Spectral convolutional neural network, SCNN），如圖1所示，通過在圖像傳感器（CMOS imagesensor, CIS）表面大規(guī)模集成光譜調(diào)制結(jié)構(gòu)，便能夠在光譜維度實現(xiàn)向量內(nèi)積的大規(guī)模并行計算。將集成了光譜調(diào)制結(jié)構(gòu)的圖像傳感器視為輸入層及第一卷積層，結(jié)合后續(xù)的小規(guī)模電計算卷積層，便能構(gòu)成一個光電混合的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

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圖1.現(xiàn)有的光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ONN）與論文提出的光譜卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（SCNN）的對比

制備的基于光譜卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的物譜芯片如圖2所示，分別采用了光學超表面以及色素作為光譜調(diào)制結(jié)構(gòu)，制備了兩款不同的物譜芯片，驗證了光譜卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)框架的可行性。其中基于超表面的芯片具有更好的光譜調(diào)制能力，并且具有偏振、相位、入射角等全光場感知的潛力，而基于色素的芯片已實現(xiàn)了12吋晶圓的流片量產(chǎn)，具有更高的集成度和更低的加工制備成本。光譜卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方案主要有三點優(yōu)勢：（1）基于圖像傳感器實現(xiàn)的光計算卷積層集成度大、功耗低，且可以直接感知自然光（包含兩個空間維度和一個光譜維度的寬帶非相干光），不依賴于相干光源；（2）光計算卷積層為感算一體式，即圖像傳感器完成拍攝的同時也完成了計算，能夠在算力有限的邊緣設(shè)備與移動終端上完成高維光譜圖像的獲取與處理，實現(xiàn)“物質(zhì)超成像”（Mattermeta-imaging），擺脫GPU、不被卡脖子，讓光譜成像的應用輕松下沉到終端；（3）光電混合的計算架構(gòu)能夠兼顧光計算高速、并行、低功耗的優(yōu)勢以及電計算的靈活性，充分利用圖像傳感器作為目前最高集成度的光電探測陣列芯片，讓上百萬像素、上億像素相機的每一個像素點都可以計算。

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圖2.分別采用光學超表面及色素實現(xiàn)的基于光譜卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的物譜芯片

為驗證光譜卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方案的有效性和靈活性，用同一個物譜芯片（3×3.5mm²）實現(xiàn)了病理診斷和人臉鑒偽兩個完全不同的現(xiàn)實世界復雜任務(wù)，如圖3所示。光譜信息可以反應物質(zhì)的組成成分，且難以被偽造，利用光譜卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)感知計算得到的光譜信息，可以實現(xiàn)像素級的活體檢測，并達到96.23%的準確率，進一步可以實現(xiàn)幾乎100%的圖像級人臉鑒偽準確率。在切片病理診斷上，不依賴于顯微鏡便能實現(xiàn)對正常甲狀腺組織切片及四種病變（包括癌變）甲狀腺組織切片的分辨，展現(xiàn)出了物譜芯片在術(shù)中病理實時診斷的應用潛力。

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圖3.用同一個物譜芯片實現(xiàn)了病理診斷和人臉鑒偽兩個完全不同的現(xiàn)實世界復雜任務(wù)

綜上所述，物譜芯片，即物質(zhì)成像光譜卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片，能夠直接處理自然圖像，在百萬至上億像素的空間維度實現(xiàn)高度并行的內(nèi)積運算，通過引入的連續(xù)光譜維度感知自然圖像中包含的物質(zhì)信息，即動態(tài)識別物質(zhì)的組成成分并映射到特征空間中，實現(xiàn)全新“物質(zhì)成像”的感算一體邊緣計算(In-sensor Edge Computing)，為機器視覺、邊緣計算終端設(shè)備賦能物質(zhì)成像的全新功能，從而開啟一個超越人眼的物質(zhì)元成像（Matter Meta-Imaging, MMI）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片的新范式。

相關(guān)研究成果以“非相干光感算一體的光譜卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片”（Spectral convolutional neural network chipfor in-sensor edge computing of incoherentnatural light）為題，于1月2日在線發(fā)表于《自然·通訊》（Nature Communications）。

清華大學電子系微納光電子學實驗室與王生進、李亞利團隊聯(lián)合培養(yǎng)博士生饒世杰和崔開宇副教授為論文共同第一作者，崔開宇和黃翊東為論文通訊作者。研究得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、北京量子信息前沿科學中心、北京量子信息科學研究院等的支持。

論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-55558-3