北理工團(tuán)隊(duì)在傳感器內(nèi)運(yùn)算器件領(lǐng)域取得重要進(jìn)展
發(fā)布日期：2025-12-30 供稿：集成電路與電子學(xué)院 攝影：集成電路與電子學(xué)院
編輯：李曉雨 審核：薛正輝 閱讀次數(shù)：
近日，北京理工大學(xué)集成電路與電子學(xué)院柔性電子器件與智造研究所沈國(guó)震團(tuán)隊(duì)在傳感器內(nèi)運(yùn)算器件領(lǐng)域取得進(jìn)展，相關(guān)成果以“Reconfigurable Hydroxyl Dissociation for Spectrally Decoupled Weight Programming and Photocurrent Computing”為題發(fā)表于期刊《Advanced Materials》。該研究提出了一種新型傳感器內(nèi)運(yùn)算器件模型，利用紫外光下Bi2O2Se（BOS）可重構(gòu)羥基解離行為，實(shí)現(xiàn)不同波長(zhǎng)下的響應(yīng)度權(quán)重編程與光電流計(jì)算過(guò)程的解耦，解決了傳統(tǒng)光電流計(jì)算器件光權(quán)重寫(xiě)入和計(jì)算過(guò)程中干擾問(wèn)題，為全光編程與計(jì)算的邊緣視覺(jué)器件提供新思路。
隨著人工智能物聯(lián)網(wǎng)的興起，對(duì)尺寸小、重量輕、功耗低的傳感系統(tǒng)的需求不斷增加，然而，傳感器節(jié)點(diǎn)的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)產(chǎn)生了大量未結(jié)構(gòu)化的原始數(shù)據(jù)，產(chǎn)生了不小的數(shù)據(jù)處理壓力，“傳感器內(nèi)處理（PIS）” 旨在將原始計(jì)算任務(wù)直接在感知光信號(hào)的傳感器上完成，從而減少需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。實(shí)現(xiàn)光電子PIS系統(tǒng)需要新興的器件物理，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)功能——特別是乘積累加（MAC）操作，直接嵌入到成像過(guò)程中。當(dāng)前的主要方法分為兩類(lèi)：
1）光電子電阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（ORRAM，或“光突觸”）利用持久光導(dǎo)性從電荷捕獲或相變等機(jī)制中建立光可調(diào)、非易失性電導(dǎo)作為突觸權(quán)重；
2）直接光電流計(jì)算（DPC）方法使用光響應(yīng)性作為突觸權(quán)重，使MAC操作在光照明時(shí)自發(fā)發(fā)生。
圖1. 三種光電神經(jīng)形態(tài)器件
然而，當(dāng)前DPC器件的關(guān)鍵限制是它們完全依賴(lài)于電信號(hào)進(jìn)行權(quán)重編程，這需要特定的外圍電路，且讀出光電流可能會(huì)干擾存儲(chǔ)的權(quán)重值。相比之下，在DPC器件中實(shí)現(xiàn)光權(quán)重編程提供了一個(gè)變革性的機(jī)會(huì)，其可提供速度和帶寬的固有優(yōu)勢(shì)，而主要挑戰(zhàn)是解決光權(quán)重寫(xiě)入和基于成像的計(jì)算過(guò)程之間的基本干擾。
該研究提出了基于BOS材料平臺(tái)的光可編程直接光電流計(jì)算器件，通過(guò)紫外光實(shí)現(xiàn)的可逆表面羥基解離重新配置氧空位動(dòng)力學(xué)，從而實(shí)現(xiàn)光譜解耦的權(quán)重編程和光電流計(jì)算。作者通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，紫外光照射下，BOS材料表面的羥基發(fā)生解離，生成氧空位，這些氧空位作為有效的空穴捕獲中心，導(dǎo)致持久光導(dǎo)性（PPC）的出現(xiàn)。該P(yáng)PC效應(yīng)不僅增強(qiáng)了材料在可見(jiàn)光范圍內(nèi)的光響應(yīng)性，還為DPC提供了一個(gè)非易失性的突觸權(quán)重。
圖2. 基于BOS實(shí)現(xiàn)的DPC器件原型及其測(cè)試結(jié)果
基于此，作者實(shí)現(xiàn)了PIS陣列硬件，用于低功耗的粗分類(lèi)任務(wù)，并作為更復(fù)雜視覺(jué)任務(wù)的預(yù)處理單元。此外，作者還提出了一個(gè)混合模型，將PIS前端與PNS后端相結(jié)合，在不同任務(wù)負(fù)載得情況下，有目的得在兩者之間分配計(jì)算資源，以實(shí)現(xiàn)功耗和性能的平衡。這一模型在低功耗、簡(jiǎn)單特征提取的PIS模式下運(yùn)行，僅在檢測(cè)到感興趣區(qū)域時(shí)切換到高性能的近傳感器（PNS）模式，將復(fù)雜的細(xì)處理任務(wù)分配給近傳感器處理。這種混合策略為現(xiàn)代邊緣視覺(jué)系統(tǒng)提供了一種高效、多功能的操作方案。
圖3. 不同視覺(jué)任務(wù)分配計(jì)算資源的分層處理流程
該研究成果的第一完成單位為北京理工大學(xué)，沈國(guó)震教授、王卓然教授與博士后冉文浩為通訊作者，集成電路與電子學(xué)院碩士研究生張圣強(qiáng)、王卓然教授、與王磊教授（南京郵電大學(xué)集成電路科學(xué)與工程學(xué)院）為論文共同第一作者。
該工作得到了中國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金會(huì)、河北自然科學(xué)基金會(huì)、北京自然科學(xué)基金會(huì)、北京工業(yè)研究院研究發(fā)現(xiàn)項(xiàng)目和科學(xué)科學(xué)基金會(huì)博士后項(xiàng)目的支持。
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