【儀表網 研發快訊】近日，北京理工大學集成電路與電子學院柔性電子器件與智造研究所沈國震團隊在傳感器內運算器件領域取得進展，相關成果以“Reconfigurable Hydroxyl Dissociation for Spectrally Decoupled Weight Programming and Photocurrent Computing”為題發表于期刊《Advanced Materials》。該研究提出了一種新型傳感器內運算器件模型，利用紫外光下Bi2O2Se(BOS)可重構羥基解離行為，實現不同波長下的響應度權重編程與光電流計算過程的解耦，解決了傳統光電流計算器件光權重寫入和計算過程中干擾問題，為全光編程與計算的邊緣視覺器件提供新思路。
隨著人工智能物聯網的興起，對尺寸小、重量輕、功耗低的傳感系統的需求不斷增加，然而，傳感器節點的指數級增長產生了大量未結構化的原始數據，產生了不小的數據處理壓力，“傳感器內處理(PIS)” 旨在將原始計算任務直接在感知光信號的傳感器上完成，從而減少需要傳輸的數據量。實現光電子PIS系統需要新興的器件物理，將神經網絡功能——特別是乘積累加(MAC)操作，直接嵌入到成像過程中。當前的主要方法分為兩類：
1)光電子電阻隨機存取存儲器(ORRAM，或“光突觸”)利用持久光導性從電荷捕獲或相變等機制中建立光可調、非易失性電導作為突觸權重；
2)直接光電流計算(DPC)方法使用光響應性作為突觸權重，使MAC操作在光照明時自發發生。
圖1. 三種光電神經形態器件
然而，當前DPC器件的關鍵限制是它們完全依賴于電信號進行權重編程，這需要特定的外圍電路，且讀出光電流可能會干擾存儲的權重值。相比之下，在DPC器件中實現光權重編程提供了一個變革性的機會，其可提供速度和帶寬的固有優勢，而主要挑戰是解決光權重寫入和基于成像的計算過程之間的基本干擾。
該研究提出了基于BOS材料平臺的光可編程直接光電流計算器件，通過紫外光實現的可逆表面羥基解離重新配置氧空位動力學，從而實現光譜解耦的權重編程和光電流計算。作者通過實驗發現，紫外光照射下，BOS材料表面的羥基發生解離，生成氧空位，這些氧空位作為有效的空穴捕獲中心，導致持久光導性(PPC)的出現。該PPC效應不僅增強了材料在可見光范圍內的光響應性，還為DPC提供了一個非易失性的突觸權重。
圖2. 基于BOS實現的DPC器件原型及其測試結果
基于此，作者實現了PIS陣列硬件，用于低功耗的粗分類任務，并作為更復雜視覺任務的預處理單元。此外，作者還提出了一個混合模型，將PIS前端與PNS后端相結合，在不同任務負載得情況下，有目的得在兩者之間分配計算資源，以實現功耗和性能的平衡。這一模型在低功耗、簡單特征提取的PIS模式下運行，僅在檢測到感興趣區域時切換到高性能的近傳感器(PNS)模式，將復雜的細處理任務分配給近傳感器處理。這種混合策略為現代邊緣視覺系統提供了一種高效、多功能的操作方案。
圖3. 不同視覺任務分配計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，沈國震教授、王卓然教授與博士后冉文浩為通訊作者，集成電路與電子學院碩士研究生張圣強、王卓然教授、與王磊教授(南京郵電大學集成電路科學與工程學院)為論文共同第一作者。
該工作得到了中國國家自然科學基金會、河北自然科學基金會、北京自然科學基金會、北京工業研究院研究發現項目和科學科學基金會博士后項目的支持。
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