【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】邊緣人工視覺系統(tǒng)因在自動(dòng)駕駛、智能家居、視頻監(jiān)控等場(chǎng)景的大量應(yīng)用，已成為備受關(guān)注的研究領(lǐng)域。傳統(tǒng)的人工視覺系統(tǒng)采用“感—存—算”分離的架構(gòu)，致使大量冗余傳感數(shù)據(jù)在不同模塊間的頻繁遷移，導(dǎo)致系統(tǒng)高延遲、高功耗。采用神經(jīng)形態(tài)計(jì)算技術(shù)，開發(fā)集成傳感、存儲(chǔ)和處理與一體的感內(nèi)或近感計(jì)算人工視覺系統(tǒng)是解決這一問題的重要途徑之一。儲(chǔ)池計(jì)算是計(jì)算復(fù)雜度低、能耗小的神經(jīng)形態(tài)計(jì)算技術(shù)，適合與傳感器結(jié)合應(yīng)用于資源受限的邊緣端。然而，由于儲(chǔ)池權(quán)重固定，在降低訓(xùn)練成本的同時(shí)，其網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)能力受到限制，難以應(yīng)用于復(fù)雜多變的實(shí)際環(huán)境。
 

　　中國(guó)科學(xué)院微電子研究所微電子器件與集成技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室劉明院士團(tuán)隊(duì)研究員尚大山聯(lián)合北京師范大學(xué)博士何聰麗、香港大學(xué)博士王中銳、中國(guó)科學(xué)院物理研究所研究員張廣宇團(tuán)隊(duì)，利用二維單層MoS2場(chǎng)效應(yīng)管(FET)光電非線性響應(yīng)機(jī)制和動(dòng)力學(xué)特性，結(jié)合生物視覺系統(tǒng)中水平細(xì)胞反饋機(jī)制，開發(fā)了具有明/暗光自適應(yīng)功能的感算一體延時(shí)儲(chǔ)池計(jì)算技術(shù)。
 

　　生物視網(wǎng)膜中存在亮度響應(yīng)閾值不同的兩類光感知器細(xì)胞即視錐細(xì)胞和視桿細(xì)胞，分別適用于明亮和昏暗環(huán)境下的視覺行為。這兩類光感知細(xì)胞通過水平細(xì)胞的反饋機(jī)制進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)制，使視覺系統(tǒng)的光敏程度可隨著環(huán)境光強(qiáng)的增加(減小)而增強(qiáng)(減弱)，從而實(shí)現(xiàn)明暗視覺適應(yīng)功能。受生物視網(wǎng)膜啟發(fā)，該團(tuán)隊(duì)采用單層MoS2為溝道材料、HfO2薄膜為柵電介質(zhì)、Si/SiO2為襯底的背柵結(jié)構(gòu)光電FET器件，通過數(shù)學(xué)建模定量描述了器件受光強(qiáng)調(diào)制的轉(zhuǎn)移特性和受柵壓調(diào)制的光電流衰退過程，并基于器件測(cè)試數(shù)據(jù)構(gòu)建了光電延時(shí)儲(chǔ)池計(jì)算模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)動(dòng)態(tài)視覺信息的識(shí)別。該工作在光電延時(shí)儲(chǔ)池網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，從仿生角度出發(fā)，借鑒視網(wǎng)膜水平細(xì)胞調(diào)制機(jī)制，研發(fā)了輕量化水平調(diào)制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊，并利用柵壓調(diào)控機(jī)制模擬光感知細(xì)胞光敏特性的切換過程，實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)池計(jì)算的自適應(yīng)調(diào)制過程，在混合光強(qiáng)MNIST數(shù)據(jù)集上的識(shí)別率得到顯著提升。與固定結(jié)構(gòu)的延時(shí)儲(chǔ)池計(jì)算相比，自適應(yīng)延時(shí)儲(chǔ)池計(jì)算利用了器件的光電動(dòng)力學(xué)可調(diào)特性，提高了系統(tǒng)的泛化能力和不同環(huán)境下的穩(wěn)定性，并保留了儲(chǔ)池計(jì)算硬件友好、網(wǎng)絡(luò)輕量化、訓(xùn)練成本低等特點(diǎn)。該成果為開發(fā)可用于邊緣智能的高能效、自適應(yīng)的仿生視覺系統(tǒng)提供了參考。
 

　　近期，相關(guān)研究成果發(fā)表在《先進(jìn)光學(xué)材料》(Advanced Optical Materials，DOI：10.1038/s42256-023-00609-5)上。研究工作得到科學(xué)技術(shù)部、國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、中國(guó)科學(xué)院和香港大學(xué)的支持。
 

　　圖1.a、二維單層MoS2光電FET陣列；b、器件在不同輸入光功率下的轉(zhuǎn)移曲線；c、不同柵壓下光電流Iph與光照強(qiáng)度的依賴關(guān)系；d、不同柵壓下的歸一化光電流衰退曲線；e、器件非線性光響應(yīng)動(dòng)態(tài)累積過程；f、不同柵壓下器件的動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍(DPR)。
 

　　圖2.a、混合光強(qiáng)MNIST手寫數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)集示意圖；b、具有水平調(diào)制(HM)網(wǎng)絡(luò)模塊的延進(jìn)儲(chǔ)池的視覺自適應(yīng)工作流程；c、柵壓調(diào)制下器件動(dòng)力學(xué)響應(yīng)過程；d、光電自適應(yīng)延時(shí)儲(chǔ)池計(jì)算過程示意圖；e、基準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)(左)、小調(diào)制范圍網(wǎng)絡(luò)(中)和大調(diào)制范圍網(wǎng)絡(luò)(右)識(shí)別率；f、初始儲(chǔ)池網(wǎng)絡(luò)(黑)、小調(diào)制范圍網(wǎng)絡(luò)(藍(lán))和大調(diào)制網(wǎng)絡(luò)(紅)的識(shí)別率比較。