模擬人類視覺的光電器件實(shí)現(xiàn)多樣化的傳感器計(jì)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(jí)處理到與更高級(jí)認(rèn)知能力相關(guān)的高級(jí)處理。

計(jì)算機(jī)科學(xué)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(jí)別的信息處理。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的一種擬議方法是傳感器內(nèi)計(jì)算，它需要將傳感、內(nèi)存和處理功能集成到單個(gè)設(shè)備中。

清華大學(xué)的研究人員最近開發(fā)了一種用于多樣化傳感器內(nèi)計(jì)算的新型有前途的光電器件。該設(shè)備在發(fā)表在《自然納米技術(shù)》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(chǔ)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(jì)算與互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)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(jí)別的功能演示。我們報(bào)道了一個(gè)完全集成的 1 KB 陣列，具有 128 × 8 個(gè)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(dòng)態(tài) OEM 和非易失性 OEM （NV-OEM）。”

研究人員展示的設(shè)備利用電和光同時(shí)處理信息和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，這對(duì)于傳感器內(nèi)計(jì)算應(yīng)用至關(guān)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(tuán)隊(duì)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(xué)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(shí)了這一點(diǎn)�！�

到目前為止，研究人員已經(jīng)在一系列初步實(shí)驗(yàn)中評(píng)估了他們基于 OEM 的設(shè)備，使用它來運(yùn)行計(jì)算機(jī)視覺算法。他們的發(fā)現(xiàn)非常有希望，因?yàn)?OEM 陣列在測試的所有三個(gè)視覺任務(wù)上都實(shí)現(xiàn)了良好的精度，同時(shí)功耗也更低。

Huang, Liang和他們的同事寫道：“使用這個(gè) OEM 系統(tǒng)，展示了三個(gè)視覺處理任務(wù)：NV-OEM 模式的識(shí)別準(zhǔn)確率從 85.7% 提高到 96.1% 的圖像傳感預(yù)處理，使用動(dòng)態(tài) OEM 和 NV-OEM 模式的更高級(jí)目標(biāo)跟蹤，準(zhǔn)確率達(dá)到 96.1%，以及完全基于 OEM 的傳感器內(nèi)儲(chǔ)層計(jì)算系統(tǒng)的人體運(yùn)動(dòng)識(shí)別，準(zhǔn)確率達(dá)到 91.2%。系統(tǒng)級(jí)基準(zhǔn)測試進(jìn)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(tuán)隊(duì)最近的研究引入了一種新的經(jīng)濟(jì)高效的光電平臺(tái)，該平臺(tái)可能被證明有利于實(shí)現(xiàn)各種傳感器內(nèi)計(jì)算應(yīng)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(jìn)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