天津理工大學&北京大學ACS Nano：一種可大規模制備的柔性全光調控突觸器件

youyoucao 3年前 (2021-01-22) 3374瀏覽

【引言】

計算機是信息技術時代最偉大的發明，然而在即將邁入人工智能時代的當下，傳統的馮諾依曼計算機正面臨著嚴峻的挑戰：物理分離的處理器和存儲器導致計算延遲和大量的能耗。近年來被科學家廣泛關注的神經形態計算(Neuromorphic computing)在處理復雜的非結構性信息，例如圖像、聲音、視頻、文字等，具有計算速度快、容錯能力強、能耗低等特點，被認為是人工智能時代取代傳統馮諾依曼計算機的有力競爭者。人工突觸器件是實現神經形態計算的基本單元，近年來關于人工突觸器件的研究成為電子器件領域的前沿熱點。人類80%的信息是通過視覺從外界獲取的，因此模擬人類視覺系統對于人工智能的發展至關重要。光電突觸器件直接采用光信號對器件的突觸權重進行調控，將光信號探測與突觸功能集于一身，極大簡化了人工視覺系統的結構，消除了信息在不同器件之間傳遞導致的時間延遲和能耗。此外，相比于電信號調制，光脈沖作為一種低串擾、高帶寬的調制手段可以對器件突觸權重進行高速低能耗的調節。然而，目前絕大多數光電突觸器件僅具有單向光響應，仍需要通過光信號和電信號的耦合才能實現可重構的興奮性和抑制性突觸行為。因此，開發一種雙向光響應的突觸器件以實現全光調控突觸行為有助于低功耗突觸神經網絡的發展。

【成果簡介】

近日，天津理工大學魯統部教授和陳旭東副研究員，聯合北京大學張錦院士（共同通訊作者）團隊在ACS Nano上發表了一篇題為“Large-Scale and Flexible Optical Synapses for Neuromorphic Computing and Integrated Visible Information Sensing Memory Processing”的文章。該課題組在6 cm × 6 cm的石墨烯表面直接合成了芘基石墨炔（Pyr-GDY），并提出了一種基于Pyr-GDY/石墨烯/PbS量子點（Pyr-GDY/Gr/PbS- QD）垂直異質結構的雙端光學突觸。其中Pyr-GDY和PbS量子點誘導的光柵效應使得該器件具有雙向光響應，器件在980 nm和450 nm光激發下可實現興奮性和抑制性突觸行為。得益于簡單的器件結構以及Pyr-GDY/Gr/PbS-QD異質結的低維特性，該器件在彎曲測試中表現出良好的穩定性和可靠性。由于制備的晶圓尺寸Pyr-GDY/Gr/PdS-QD薄膜在宏觀尺度上具有良好的均勻性，可以實現大規模的光學突觸器件陣列的制作，用于構筑物理人工神經網絡和人工視覺系統。作者利用該器件模擬了手寫體圖像識別，表現出較高的識別準確率和效率，以及良好的容錯能力。另外，基于該器件的人工視覺系統集成了信息感知-存儲-處理功能，在單一器件上實現了實時圖像檢測、原位存儲和圖像處理，避免了數據轉換和傳輸帶來的能量消耗和時間延遲。最后，該器件采用全光學手段實現了邏輯運算（“與”、“或”、“與非”、“或非”和“異或”）和聯想學習。

【圖文導讀】

圖1 Pyr-GDY/Gr/PbS-QD異質結的表征

a) Pyr-GDY/Gr/PbS-QD異質結的光學圖；

b) 6 cm × 6 cm Pyr-GDY/Gr/PbS-QD異質結薄膜照片；

c) Pyr-GDY/Gr/PbS-QD異質結拉曼表征；

d) Pyr-GDY/Gr/PbS-QD異質結光吸收譜；

e) 有光照和無光條件下的器件的轉移特性；

f) Pyr-GDY/Gr/PbS-QD異質結構在(I)暗環境、(II) 450 nm和(III) 980 nm照射下的能帶圖。

圖2 Pyr-GDY/Gr/PbS-QD異質結的突觸特性

a) 左圖：生物神經網絡和突觸的示意圖，右圖：光突觸的簡化電路；

b) 采用波長分別為980 nm和450 nm的光脈沖觸發EPSC和IPSC；

c) 采用波長分別為980 nm和450 nm的光脈沖觸發的PPF；

d) 分別在980 nm和450 nm的光波長下，PPF-Δt關系圖；

e) 脈沖數量依賴的EPSC和IPSC;

f) 脈沖頻率依賴的EPSC和IPSC。

圖3 Pyr-GDY/Gr/PbS-QD異質結的柔性特性

a,b) 柔性PET襯底上制備的光學突觸陣列的示意圖和照片；

c,d) 不同拉伸和壓縮應變下ΔPSC和PPF的變化；

e) 在平整、彎曲和折疊狀態下，器件的LTP/LTD循環曲線；

f) 不同彎曲次數下Gmax和Gmin的變化。

圖4 神經形態計算的模擬

a) LTP/LTD曲線的光學訓練示意圖；

b) 在平整、拉伸和壓縮狀態下，施加增強和抑制脈沖后光突觸的LTP/LTD特征；

c) 用于識別28 × 28像素手寫數字的三層神經網絡原理圖；

d) 突觸權重的示意圖；

e) 不同噪聲比（0 - 90%）的手寫數字；

f) 28 × 28像素無噪聲手寫數字圖像的識別精度隨訓練周期的變化；

g,h) 平整狀態下，神經網絡的識別精度隨訓練周期和噪聲像素比例的變化。

圖5 光學突觸陣列的視覺信息感知記憶處理系統

?a) 用于圖像感知、記憶和處理的人類視覺系統示意圖；

b-d) 7×6光學突觸陣列在初始狀態下、150次光訓練后以及光訓練結束1000 s后的電導圖；

e) 未知圖像與參考圖像的對比和識別。

圖6 光邏輯應用

a) 光突觸邏輯功能的原理圖；

b) “或”和“與”邏輯功能；

c) “或非”和“與非”邏輯功能；

d) “異或”邏輯功能；

e) 聯想學習功能。

【小結】

綜上所述，作者提出了一種基于Pyr-GDY/Gr/PbS量子點垂直異質結的全光調制突觸器件。該器件可以通過光學手段對器件進行調制實現興奮性和抑制性突觸行為。作者利用所制備的晶圓尺寸的Pyr-GDY/Gr/PbS異質結構筑了大規模器件陣列，研究了其在神經形態計算和人工視覺系統中的應用前景。這是第一種具有大規模應用前景的全光調控突觸器件。

文獻鏈接：Large-Scale and Flexible Optical Synapses for?Neuromorphic Computing and Integrated?Visible Information Sensing Memory?Processing,?2021, ACS Nano.

https://doi.org/10.1021/acsnano.0c08921

本文由作者投稿。

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