人工智能時代

　　視覺數據爆發(fā)式增長

　　存儲、傳輸成棘手難題

　　如何為光電器件“減負”？

　　復旦芯片與系統(tǒng)前沿技術研究院

　　劉琦、王建祿教授團隊

　　利用鐵電疇調控研發(fā)了

　　一種可編程的光電二極管陣列

　　實現(xiàn)探測、存儲、計算功能“三合一”

　　讓探測器像人眼一樣高效工作

　　為構建智能視覺系統(tǒng)提供新思路

　　相關成果發(fā)表于Nature Materials

　　獲得世界人工智能大會WAIC

　　青年優(yōu)秀論文獎

　　入選2023年復旦“十大科技進展”

　　打破傳統(tǒng)探測架構

　　一款芯片集成三大功能

　　曾經，我們用手機拍一張照片，只有幾千字節(jié)大小。如今，進入超高清時代，一幅千萬像素、億像素的照片，能占據數十甚至數百兆字節(jié)的存儲空間。根據國際數據公司IDC預測，至2025年，全球數據量將達175ZB（1750萬億億字節(jié)）量級。

　　相機中將光信號轉換為電信號的成像芯片，本質上便是光電探測器。高清攝像、高速探測、智能識別……隨著光電探測器的應用越來越廣，視覺信息數據爆發(fā)式增長，存儲空間不足難題迫在眉睫，信息處理能力亟待提升。

　　“人們每天傳輸的海量數據中，冗余信息占比頗高。我們希望讓光電探測器更加智能，實現(xiàn)數據傳輸‘輕量化’，降低延遲，減少功耗。”復旦大學芯片與系統(tǒng)前沿技術研究院教授王建祿介紹。

　　在傳統(tǒng)的光電探測架構中，探測、存儲和計算單元相互分離，延時高、功耗高，針對這一瓶頸，能否設計出集探測、存儲和計算功能于一身的“感存算一體架構”？

　　核心難點在于半導體摻雜——這是半導體制備過程中的一項關鍵技術，能夠改變材料的電學性質。摻雜分為n型摻雜和p型摻雜，傳統(tǒng)摻雜技術在半導體中注入摻雜原子，形成n型半導體和p型半導體。這就意味著，當摻雜一旦完成，器件能帶結構就無法調節(jié)，無法滿足智能感知對于光電子器件的可塑性需求。

　　曾有國內外研究者嘗試過外加柵壓的方法，然而，外部電壓撤去后就無法保持性能，因此必須持續(xù)加壓，帶來了高能耗、器件不穩(wěn)定和不可靠方面的問題。

　　2020年，團隊提出一種新的技術路徑：用鐵電極化代替?zhèn)鹘y(tǒng)摻雜技術?！拔覀儼l(fā)揮了鐵電疇非易失、可重構的特點，實現(xiàn)了極化場精準可編程的半導體摻雜新技術。”復旦大學芯片與系統(tǒng)前沿技術研究院青年研究員吳廣健說。

　　▲ 鐵電疇極化方向由施加到探針的電壓局部操縱

　　這一方法無需對半導體元素摻雜，而是通過外部施加電場即可——只需切換鐵電極化的大小或方向，就能改變器件導電性能，切換速度可達納秒級。同時，鐵電調控具有高靈敏度，能有效捕捉微小信號。鐵電的非易失特性，還可使器件在單次調節(jié)后長時保持。

　　▲ 經過極化操作后的鐵電相圖，相位差為180°。PFM定義的鐵電疇具有任意可重構特性

　　基于該方法，探測器不僅可以“記憶”電導狀態(tài)，還能通過精準調節(jié)權重從而進行計算。光信息探測、權值存儲和高級計算的功能，被集成到傳感器陣列中，有效減少了感知數據的傳輸和計算步驟，實時、高效地處理探測數據。

　　▲左側是傳統(tǒng)探測架構，感存算模塊分離；中間是存算一體架構，存算結合但感知層獨立；右側是感存算一體架構，能夠直接識別圖像

　　仿生思路驅動交叉研究

　　實現(xiàn)“類人眼”性能

　　盡管做的是芯片研發(fā)，團隊的研究靈感，最初來自于人眼。

　　“人眼就是在感知的同時不停對視覺信息進行計算，因此我們希望在光電探測器上，也能模擬人眼的高效處理能力。”吳廣健介紹，人的雙眼能在一定動態(tài)范圍內適應環(huán)境變化，當人從昏暗的電影院走到明亮的室外時，會自動調整瞳孔的進光量，從而對圖像進行識別，“我們用鐵電疇調控器件，也是類似于這種自適應調整”。九游會j9官網真人游戲第一品牌

　　團隊負責人劉琦教授常年扎根存算研究，鐵電調控則是王建祿教授長期的研究方向。結合雙方優(yōu)勢，團隊確定研究思路，聚焦實現(xiàn)探測器的“類人眼”性能，力求讓其兼具高性能探測、權值存儲、原位計算功能九游會j9官網真人游戲第一品牌。

　　借助仿生思路，研究從一開始就具有高度交叉性，與仿生視覺、類腦智能息息相關。團隊成員學習借鑒人眼的生物功能，積極咨詢腦科學研究人員，最終完成器件設計，并花了一年多時間完成實驗。

　　團隊制備了3×9二極管陣列，利用鐵電調控的正負光響應、線性、多態(tài)特性，實現(xiàn)了矢量乘加運算，此外還開展了較大范圍的線性調節(jié)，而后借助計算機算法等工具對其進行針對訓練。

　　視頻加載中...