人工智能時(shí)代

　　視覺數(shù)據(jù)爆發(fā)式增長(zhǎng)

　　存儲(chǔ)、傳輸成棘手難題

　　如何為光電器件“減負(fù)”？

　　復(fù)旦芯片與系統(tǒng)前沿技術(shù)研究院

　　劉琦、王建祿教授團(tuán)隊(duì)

　　利用鐵電疇調(diào)控研發(fā)了

　　一種可編程的光電二極管陣列

　　實(shí)現(xiàn)探測(cè)、存儲(chǔ)、計(jì)算功能“三合一”

　　讓探測(cè)器像人眼一樣高效工作

　　為構(gòu)建智能視覺系統(tǒng)提供新思路

　　相關(guān)成果發(fā)表于Nature Materials

　　獲得世界人工智能大會(huì)WAIC

　　青年優(yōu)秀論文獎(jiǎng)

　　入選2023年復(fù)旦“十大科技進(jìn)展”

　　打破傳統(tǒng)探測(cè)架構(gòu)

　　一款芯片集成三大功能

　　曾經(jīng)，我們用手機(jī)拍一張照片，只有幾千字節(jié)大小。如今，進(jìn)入超高清時(shí)代，一幅千萬像素、億像素的照片，能占據(jù)數(shù)十甚至數(shù)百兆字節(jié)的存儲(chǔ)空間。根據(jù)國(guó)際數(shù)據(jù)公司IDC預(yù)測(cè)，至2025年，全球數(shù)據(jù)量將達(dá)175ZB（1750萬億億字節(jié)）量級(jí)。

　　相機(jī)中將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的成像芯片，本質(zhì)上便是光電探測(cè)器。高清攝像、高速探測(cè)、智能識(shí)別……隨著光電探測(cè)器的應(yīng)用越來越廣，視覺信息數(shù)據(jù)爆發(fā)式增長(zhǎng)，存儲(chǔ)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?shù)暮Ａ繑?shù)據(jù)中，冗余信息占比頗高。我們希望讓光電探測(cè)器更加智能，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸‘輕量化’，降低延遲，減少功耗。”復(fù)旦大學(xué)芯片與系統(tǒng)前沿技術(shù)研究院教授王建祿介紹。

　　在傳統(tǒng)的光電探測(cè)架構(gòu)中，探測(cè)、存儲(chǔ)和計(jì)算單元相互分離，延時(shí)高、功耗高，針對(duì)這一瓶頸，能否設(shè)計(jì)出集探測(cè)、存儲(chǔ)和計(jì)算功能于一身的“感存算一體架構(gòu)”？

　　核心難點(diǎn)在于半導(dǎo)體摻雜——這是半導(dǎo)體制備過程中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，能夠改變材料的電學(xué)性質(zhì)。摻雜分為n型摻雜和p型摻雜，傳統(tǒng)摻雜技術(shù)在半導(dǎo)體中注入摻雜原子，形成n型半導(dǎo)體和p型半導(dǎo)體。這就意味著，當(dāng)摻雜一旦完成，器件能帶結(jié)構(gòu)就無法調(diào)節(jié)，無法滿足智能感知對(duì)于光電子器件的可塑性需求。

　　曾有國(guó)內(nèi)外研究者嘗試過外加?xùn)艍旱姆椒ǎ欢?，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(tuán)隊(duì)提出一種新的技術(shù)路徑：用鐵電極化代替?zhèn)鹘y(tǒng)摻雜技術(shù)?！拔覀儼l(fā)揮了鐵電疇非易失、可重構(gòu)的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了極化場(chǎng)精準(zhǔn)可編程的半導(dǎo)體摻雜新技術(shù)?！睆?fù)旦大學(xué)芯片與系統(tǒng)前沿技術(shù)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(duì)半導(dǎo)體元素?fù)诫s，而是通過外部施加電場(chǎng)即可——只需切換鐵電極化的大小或方向，就能改變器件導(dǎo)電性能，切換速度可達(dá)納秒級(jí)。同時(shí)，鐵電調(diào)控具有高靈敏度，能有效捕捉微小信號(hào)。鐵電的非易失特性，還可使器件在單次調(diào)節(jié)后長(zhǎng)時(shí)保持。

　　▲ 經(jīng)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(gòu)特性

　　基于該方法，探測(cè)器不僅可以“記憶”電導(dǎo)狀態(tài)，還能通過精準(zhǔn)調(diào)節(jié)權(quán)重從而進(jìn)行計(jì)算。光信息探測(cè)、權(quán)值存儲(chǔ)和高級(jí)計(jì)算的功能，被集成到傳感器陣列中，有效減少了感知數(shù)據(jù)的傳輸和計(jì)算步驟，實(shí)時(shí)、高效地處理探測(cè)數(shù)據(jù)。

　　▲左側(cè)是傳統(tǒng)探測(cè)架構(gòu)，感存算模塊分離；中間是存算一體架構(gòu)，存算結(jié)合但感知層獨(dú)立；右側(cè)是感存算一體架構(gòu)，能夠直接識(shí)別圖像

　　仿生思路驅(qū)動(dòng)交叉研究

　　實(shí)現(xiàn)“類人眼”性能

　　盡管做的是芯片研發(fā)，團(tuán)隊(duì)的研究靈感，最初來自于人眼。

　　“人眼就是在感知的同時(shí)不停對(duì)視覺信息進(jìn)行計(jì)算，因此我們希望在光電探測(cè)器上，也能模擬人眼的高效處理能力?！眳菑V健介紹，人的雙眼能在一定動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)適應(yīng)環(huán)境變化，當(dāng)人從昏暗的電影院走到明亮的室外時(shí)，會(huì)自動(dòng)調(diào)整瞳孔的進(jìn)光量，從而對(duì)圖像進(jìn)行識(shí)別，“我們用鐵電疇調(diào)控器件，也是類似于這種自適應(yīng)調(diào)整”。九游會(huì)j9官網(wǎng)真人游戲第一品牌

　　團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人劉琦教授常年扎根存算研究，鐵電調(diào)控則是王建祿教授長(zhǎng)期的研究方向。結(jié)合雙方優(yōu)勢(shì)，團(tuán)隊(duì)確定研究思路，聚焦實(shí)現(xiàn)探測(cè)器的“類人眼”性能，力求讓其兼具高性能探測(cè)、權(quán)值存儲(chǔ)、原位計(jì)算功能九游會(huì)j9官網(wǎng)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(guān)。團(tuán)隊(duì)成員學(xué)習(xí)借鑒人眼的生物功能，積極咨詢腦科學(xué)研究人員，最終完成器件設(shè)計(jì)，并花了一年多時(shí)間完成實(shí)驗(yàn)。

　　團(tuán)隊(duì)制備了3×9二極管陣列，利用鐵電調(diào)控的正負(fù)光響應(yīng)、線性、多態(tài)特性，實(shí)現(xiàn)了矢量乘加運(yùn)算，此外還開展了較大范圍的線性調(diào)節(jié)，而后借助計(jì)算機(jī)算法等工具對(duì)其進(jìn)行針對(duì)訓(xùn)練。

　　視頻加載中...