【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，南方科技大學深港微電子學院周菲遲副教授團隊聯(lián)合香港理工大學蔡嵩驊教授團隊、北京犀靈視覺科技有限公司，在超自適應神經(jīng)形態(tài)視覺器件及通用智能視覺系統(tǒng)研究中取得重要進展。相關研究成果以“High-Order Dynamics in An Ultra-Adaptive Neuromorphic Vision Device”為題發(fā)表于 Nature Nanotechnology。
 

　　該研究通過精準調控電子、氧離子與空位的界面/體相動力學，首次提出一種超自適應類腦視覺器件(UANV, Ultra-Adaptive Neuromorphic Vision Device)，在單一器件內(nèi)集成類視網(wǎng)膜與類視皮層的四種高階動態(tài)特性，并構建首個超高靈活度的全同質人工通用視覺智能(Artificial General Vision Intelligence, AGVI)系統(tǒng)原型，為構建高效、自適應的 AGVI 系統(tǒng)提供了全新解決方案。
 

　　自然界中視覺事件具有多動態(tài)性和不可預測性，這對傳統(tǒng)機器視覺系統(tǒng)提出了巨大挑戰(zhàn)。人工通用視覺智能 AGVI 作為一種新興范式，致力于在統(tǒng)一硬件系統(tǒng)中復現(xiàn)生物視覺系統(tǒng)的全頻譜動態(tài)特性以實現(xiàn)卓越的能效和適應性，強調同時仿生視網(wǎng)膜與皮層神經(jīng)元的多模態(tài)信號——既包含“全或無”的脈沖動作電位，也包含與刺激成比例的漸變電位，且應能在光學與電學兩個維度下工作。而當前最先進的 AGVI 實現(xiàn)方案依賴于 CMOS 電路或多個新興神經(jīng)形態(tài)元件的異質集成，但這導致系統(tǒng)體積龐大且適應性和能效受限。尤其關鍵的是，尚無單一電子器件可在同體內(nèi)同時整合“類視網(wǎng)膜+類視皮層”的脈沖與漸變動態(tài)，并跨光/電雙域可控，仍需依賴多器件集成，這成為邁向高效  AGVI  的核心瓶頸。
 

　　針對上述挑戰(zhàn)，研究團隊在單一 UANV 器件中同時實現(xiàn)了類視網(wǎng)膜光脈沖神經(jīng)元(Retinal Spiking Neuron, RSN)、類視網(wǎng)膜光分級神經(jīng)元(Retinal Graded Neuron, RGN)、類皮層突觸(Cortical Synapse, CS)和類皮層神經(jīng)元(Cortical Neuron, CN)等四種高階動力學行為(圖1)，并展現(xiàn)超低功耗。這種豐富且可調控的高階動力學特性源于獨特的能帶結構，以及在光/電刺激下體相或界面處電荷載流子(電子、氧離子和空位)的協(xié)同調控。該 UANV 單器件高度集成了傳統(tǒng) CMOS 實現(xiàn)方案中需60余個分立器件才能完成的全部功能，尤其在圖像尺寸增大時顯著減少所需器件數(shù)量，將傳統(tǒng)的異質系統(tǒng)轉變?yōu)橥耆|化的緊湊系統(tǒng)，顯著降低功耗及提升面積效率。同時，團隊通過采用先進的原位掃描透射電子顯微鏡(STEM)表征技術與計算機輔助設計(TCAD)仿真方法，首次深入揭示了 UANV 器件的高階動力學特性及其工作機制，為感存算一體化神經(jīng)形態(tài)視覺器件設計提供了理論指導。
 

　　圖1 超自適應神經(jīng)形態(tài)視覺器件(UANV)與全同質通用智能視覺系統(tǒng)(AGVI)系統(tǒng)

 

　　在 0 V 偏置下，器件展現(xiàn)無偏置、無外部電容、紫外-紅外寬譜的 LIF(泄漏積分發(fā)放)光脈沖神經(jīng)元行為，可將連續(xù)光直接編碼為電流尖峰，展現(xiàn)出基于光強和照射時間的閾值脈沖發(fā)放特性(圖2)。相比傳統(tǒng)方案或當前多新興器件集成方案，這一模式展現(xiàn)出了優(yōu)異的集成度、寬光譜響應及低至0 J的電學功耗。機理上，由于IxTyO1-x-y/CuO? 界面獨特的“倒三角勢阱+界面陷阱”設計，光生電子一部分形成基線電流，另一部分注入陷阱并經(jīng)  Fowler–Nordheim  隧穿觸發(fā)尖峰。此外，團隊采用 Sentaurus 技術計算機輔助設計(TCAD)仿真平臺，基于器件工作機制，對光致LIF行為過程進行了完整建模，仿真結果與實驗結果高度吻合。
 

圖2 類視網(wǎng)膜光脈沖神經(jīng)元(RSN)動力學行為
 

　　在−0.04–−0.1 V 偏置下，器件切換至類視網(wǎng)膜光分級神經(jīng)元特性，對光脈沖個數(shù)/強度/波長呈非線性短期時間動力學(圖3)。機理源于CuOx層中電子的俘獲/去俘獲過程。團隊通過光電原位掃描透射電子顯微鏡(light-incorporated in situ STEM)技術進一步證明了這一機制，時間分辨電子能量損失譜(EELS-STEM) 顯示光照后氧元素空間分布幾乎不變，而 Cu-L? 邊發(fā)生約 0.22 eV 左移，光關斷后緩慢回移，證明了器件內(nèi)部的光致電子俘獲/去俘獲過程。
 

圖3 類視網(wǎng)膜非脈沖神經(jīng)元(RGN)動力學行為
 

　　在 0.1–0.5 V 小電壓下，器件切換至類皮層突觸模式，呈現(xiàn)出模擬型、非易失性的電阻開關特性，以及長期增強/抑制行為(圖4)。該動力學行為下的響應速度快至60 ns，阻態(tài)保持可長達10年。原位 EELS–STEM 表明小正脈沖(如 0.1 V)主要誘發(fā)靠近 IxTyO1-x-y一側的 O²?遷移，頂層區(qū)域 O K-edge 預峰減弱、Cu-L? 輕微左移，表現(xiàn)為氧化態(tài)降低；施加負脈沖后上述譜學特征可逆恢復。機理上，小電壓僅在CuOx層中靠近IxTyO1-x-y/CuOx界面處觸發(fā) O²?外遷并在 CuO? 中形成 VO??，產(chǎn)生“凈摻雜效應”降低界面勢壘，從而在 LRS/HRS 間可逆調制。
 

圖4 類皮層突觸(CS)動力學行為
 

　　在 1.3–2 V 偏置下，器件切換至類皮層神經(jīng)元動力學模式，展現(xiàn)出連續(xù)電脈沖驅動的泄漏積分發(fā)放(LIF)行為(圖5)。CN動力學特性源于雙重機制協(xié)同作用，包括可移動O²?離子在CuOx層遷移導致的勢壘高度調制，以及電子俘獲動力學過程。團隊進一步通過EELS-STEM實驗，直接證明了大電壓下CuOx層電子捕獲/去捕獲與氧離子遷移協(xié)同調控機制。
 

圖5 類皮層神經(jīng)元(CN)動力學行為
 

　　基于該器件各工作模式下的高度集成動力學特性和超低功耗特性，團隊進一步構建了基于全同質UANV器件陣列的“超自適應性”的硬件系統(tǒng)與原型平臺(圖6)。該系統(tǒng)可根據(jù)不同場景需求，靈活動態(tài)分配UANV陣列中動力學模式，在統(tǒng)一硬件平臺上實現(xiàn)多場景自適應處理，同時支持異步事件驅動和同步幀驅動等多種工作范式，能夠自適應滿足動態(tài)場景與靜態(tài)圖像處理等多樣化認知成像需求。在實現(xiàn)多功能處理的同時，能效比高達67.89 TOPS/W，面積效率達到3.96 MOPS/F。研究人員通過將這種具備多模態(tài)高階動態(tài)特性的器件集成到高度緊湊高效的AGVI系統(tǒng)中，為機器視覺開辟了媲美生物視覺的無限可能。
 

圖6 全同質AGVI系統(tǒng)原型
 

　　南方科技大學為論文第一單位，深港微電子學院碩士研究生徐嘉逸、博士研究生江碧怡，香港理工大學博士后王威振為論文共同第一作者，周菲遲、蔡嵩驊為論文通訊作者。該研究得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、合肥睿科微電子有限公司及香港研資局的支持。