【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】人工智能時(shí)代，視覺(jué)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(jué)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(wàn)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(wàn)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(lái)越廣，視覺(jué)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(guò)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(wú)法調(diào)節(jié)，無(wú)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(guò)外加?xùn)艍旱姆椒?，然而，外部電壓撤去后就無(wú)法保持性能，因此必須持續(xù)加壓，帶來(lái)了高能耗、器件不穩(wěn)定和不可靠方面的問(wèn)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)。“我們發(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)。”復(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(shuō)。
 

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(wú)需對(duì)半導(dǎo)體元素?fù)诫s，而是通過(guò)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。
 

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　　經(jīng)過(guò)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(guò)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(lái)自于人眼。
 

　　“人眼就是在感知的同時(shí)不停對(duì)視覺(jué)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。”吳廣健介紹，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”。
 

　　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。
 

　　借助仿生思路，研究從一開(kāi)始就具有高度交叉性，與仿生視覺(jué)、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(kāi)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。
 

　　原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，他們?cè)跈C(jī)器狗身上安裝芯片，讓其按照“看到”的方向圖標(biāo)自行前進(jìn)。從演示畫(huà)面可以看到，在無(wú)需外部存儲(chǔ)和計(jì)算單元的情況下，機(jī)器狗可以按照向左、向右等方向準(zhǔn)確實(shí)時(shí)前進(jìn)。
 

　　Nature Materials同期發(fā)表“研究簡(jiǎn)報(bào)”對(duì)成果進(jìn)行了亮點(diǎn)報(bào)道，評(píng)價(jià)其“開(kāi)發(fā)了一種使用鐵電調(diào)控的非易失性光電二極管傳感器陣列來(lái)實(shí)現(xiàn)感存算一體架構(gòu)，大大減少了傳感和計(jì)算單元之間接口處的數(shù)據(jù)傳輸和轉(zhuǎn)換，在能耗和延遲方面顯示出顯著的優(yōu)勢(shì)”。
 

　　曾獲洪堡研究獎(jiǎng)的美國(guó)加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校Ya-Hong Xie教授則評(píng)價(jià)：“這種p-n結(jié)能夠?qū)崿F(xiàn)光探測(cè)，為先進(jìn)的納米光電探測(cè)器和實(shí)現(xiàn)下一代光電器件提供了機(jī)會(huì)。”
 

　　人臉識(shí)別、無(wú)人駕駛……智能識(shí)別應(yīng)用前景廣闊
 

　　由于具備實(shí)時(shí)處理、輕量數(shù)據(jù)的兩大優(yōu)勢(shì)，低延遲、低功耗，復(fù)旦團(tuán)隊(duì)研發(fā)的這一智能探測(cè)芯片在未來(lái)應(yīng)用廣泛，特別是人臉識(shí)別、動(dòng)目標(biāo)監(jiān)測(cè)、無(wú)人駕駛等多種智能化場(chǎng)景。
 

　　以動(dòng)目標(biāo)監(jiān)測(cè)為例，探測(cè)器探測(cè)到的大部分信息是目標(biāo)未出現(xiàn)的畫(huà)面數(shù)據(jù)，其實(shí)都是冗余信息。傳統(tǒng)的探測(cè)器會(huì)將所有探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，再傳輸至計(jì)算單元，而智能探測(cè)芯片則通過(guò)一體化的計(jì)算功能，實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)，只采集、傳輸目標(biāo)出現(xiàn)的有效圖像，能使得數(shù)據(jù)壓縮量達(dá)到90%。
 

　　而在無(wú)人駕駛這種高速移動(dòng)場(chǎng)景中，更需要實(shí)時(shí)對(duì)探測(cè)目標(biāo)進(jìn)行快速反應(yīng)。傳統(tǒng)架構(gòu)需要經(jīng)過(guò)三道傳輸環(huán)節(jié)，而感存算一體架構(gòu)可以進(jìn)一步提升反應(yīng)速度，使汽車在更短時(shí)間尺度觸發(fā)駕駛的相關(guān)決策指令。
 

　　眼下，無(wú)人駕駛蓬勃發(fā)展，其背后技術(shù)大多還是基于激光雷達(dá)主動(dòng)發(fā)射激光進(jìn)行距離探測(cè)——借助發(fā)出的激光反射到探測(cè)器，汽車才可以計(jì)算前方物體和車身的距離，從而進(jìn)行決策。
 

　　隨著無(wú)人駕駛汽車越來(lái)越多，環(huán)境中的發(fā)射激光隨之增加，難免對(duì)人眼造成損害。相較之下，智能探測(cè)芯片的優(yōu)勢(shì)還在于無(wú)需主動(dòng)發(fā)射激光信號(hào)，而是和人眼一樣完全被動(dòng)獲取信息，對(duì)環(huán)境和人體更為友好。
 

　　下一步，團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)提升探測(cè)器性能，并期待通過(guò)與各個(gè)行業(yè)的通力合作，打通后端電路設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)該技術(shù)在更多應(yīng)用場(chǎng)景的落地。
 

　　該研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目支持，吳廣健、張續(xù)猛、馮光迪為論文的共同第一作者，田博博、劉琦、王建祿教授為該論文的通訊作者。