華中科技大學(xué)在非線性全光神經(jīng)計(jì)算硬件取得新成果

Nature Communications在線刊發(fā)了華中科技大學(xué)集成電路學(xué)院葉鐳教授、繆向水教授關(guān)于二維材料非線性效應(yīng)全光神經(jīng)計(jì)算硬件的最新研究成果“Programmable nonlinear optical neuromorphic computing with bare 2D material MoS2”。繆向水、葉鐳、武漢光電國(guó)家研究中心王平教授和美國(guó)倫斯勒理工學(xué)院包瑋教授為通訊作者，香港中文大學(xué)童磊博士、華中科技大學(xué)集成電路學(xué)院王逸倫博士、合肥工業(yè)大學(xué)畢亞麗博士為共同第一作者。華中科技大學(xué)集成電路學(xué)院為論文第一完成單位。該工作得到香港中文大學(xué)許建斌教授、美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)Deep Jariwala教授的大力支持，受到國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、湖北省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和香港研究資助局等項(xiàng)目的資助。

二維材料具有多樣且可調(diào)的非線性光學(xué)效應(yīng)，基于其非線性效應(yīng)的全光計(jì)算機(jī)制具有高速、高并性度、高能效的本征優(yōu)勢(shì)，能夠支撐數(shù)據(jù)密集型人工智能計(jì)算硬件的高效開(kāi)發(fā)。目前主要的硬件方案包括：片上光學(xué)結(jié)構(gòu)硬件，保留全光計(jì)算的本征性能，但是動(dòng)態(tài)可調(diào)性受限，難以高密度集成；光電耦合調(diào)控硬件，支持高效可調(diào)性和高密度器件集成，但是大幅降低處理速度且引入額外功耗。我校團(tuán)隊(duì)的這一研究從材料能帶結(jié)構(gòu)出發(fā)，設(shè)計(jì)全新的全光激發(fā)方案，使電子的非線性弛豫過(guò)程和信號(hào)調(diào)控需求匹配，進(jìn)而開(kāi)發(fā)純二維MoS2陣列的全光計(jì)算硬件，實(shí)現(xiàn)非線性信號(hào)的增強(qiáng)和多維度動(dòng)態(tài)調(diào)控。該硬件保留光計(jì)算的本征優(yōu)勢(shì)，規(guī)避復(fù)雜硬件設(shè)計(jì)，解決計(jì)算性能和功能調(diào)控的矛盾。

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硬件設(shè)計(jì)和理論基礎(chǔ)

多層MoS2材料的非線性效應(yīng)涉及到布里淵區(qū)K谷處的雙光子吸收以及Γ點(diǎn)處高能嵌套導(dǎo)帶中的協(xié)同激發(fā)態(tài)吸收。通過(guò)設(shè)計(jì)全新的泵浦-探測(cè)-控制飛秒脈沖激發(fā)方案，其中控制光脈沖使非線性效應(yīng)從雙光子吸收轉(zhuǎn)換至協(xié)同激發(fā)態(tài)吸收，實(shí)現(xiàn)非線性信號(hào)的增強(qiáng)，信噪比大于16dB；非線性信號(hào)可以由三種光脈沖獨(dú)立調(diào)制，信號(hào)強(qiáng)度和功率成線性關(guān)系；三能級(jí)激發(fā)躍遷使信號(hào)弛豫壽命延長(zhǎng)；高能嵌套導(dǎo)帶內(nèi)高電子態(tài)密度分布增強(qiáng)庫(kù)倫屏蔽效應(yīng)，使信號(hào)的厚度依賴性明顯增強(qiáng)。因此，可以通過(guò)控制光的開(kāi)關(guān)狀態(tài)、激發(fā)功率、脈沖延遲時(shí)間、材料厚度等四個(gè)維度進(jìn)行光信號(hào)的動(dòng)態(tài)調(diào)控和多種功能設(shè)計(jì)。

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硬件調(diào)控方案

由于上述全光計(jì)算機(jī)制僅依賴材料的本征物理特性，我校團(tuán)隊(duì)首次直接利用純MoS2材料構(gòu)建高集成密度的全光計(jì)算陣列，無(wú)需復(fù)雜的光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，無(wú)需引入電信號(hào)耦合調(diào)控。以脈沖延遲時(shí)間編碼陣列單元的權(quán)重，以激發(fā)功率編碼輸入信號(hào)，實(shí)現(xiàn)全光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算，陣列單元的計(jì)算速度達(dá)到5.6ps，計(jì)算功耗為~5.12−9.12pJ。精準(zhǔn)選擇計(jì)算單元的材料厚度，將激發(fā)功率編碼為二進(jìn)制輸入信號(hào)，實(shí)現(xiàn)全光與門、或門、與非門、或非門和數(shù)模轉(zhuǎn)換器等邏輯計(jì)算器件。相關(guān)工作為非線性全光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)硬件的開(kāi)發(fā)提供了全新的解決思路。

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硬件功能實(shí)現(xiàn)

繆向水團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期從事三維相變存儲(chǔ)器、憶阻器、類腦智能計(jì)算與邏輯運(yùn)算等信息存儲(chǔ)材料及器件方向的研究。2018年出版了國(guó)內(nèi)第一本憶阻器專著《憶阻器導(dǎo)論》；2019年團(tuán)隊(duì)將93項(xiàng)三維相變存儲(chǔ)器芯片專利許可給國(guó)內(nèi)存儲(chǔ)器龍頭并合作開(kāi)發(fā)產(chǎn)品，并與行業(yè)龍頭企業(yè)合作建立了聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，推動(dòng)存儲(chǔ)器芯片技術(shù)成果轉(zhuǎn)化和未來(lái)引領(lǐng)技術(shù)探索。

論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-54776-z