北理工团队在传感器内运算器件领域取得重要进展

近日，北京理工大学集成电路与电子学院柔性电子器件与智造研究所沈国震团队在传感器内运算器件领域取得进展，相关成果以“Reconfigurable Hydroxyl Dissociation for Spectrally Decoupled Weight Programming and Photocurrent Computing”为题发表于期刊《Advanced Materials》。该研究提出了一种新型传感器内运算器件模型，利用紫外光下Bi2O2Se（BOS）可重构羟基解离行为，实现不同波长下的响应度权重编程与光电流计算过程的解耦，解决了传统光电流计算器件光权重写入和计算过程中干扰问题，为全光编程与计算的边缘视觉器件提供新思路。

随着人工智能物联网的兴起，对尺寸小、重量轻、功耗低的传感系统的需求不断增加，然而，传感器节点的指数级增长产生了大量未结构化的原始数据，产生了不小的数据处理压力，“传感器内处理（PIS）” 旨在将原始计算任务直接在感知光信号的传感器上完成，从而减少需要传输的数据量。实现光电子PIS系统需要新兴的器件物理，将神经网络功能——特别是乘积累加（MAC）操作，直接嵌入到成像过程中。当前的主要方法分为两类：

1）光电子电阻随机存取存储器（ORRAM，或“光突触”）利用持久光导性从电荷捕获或相变等机制中建立光可调、非易失性电导作为突触权重；

2）直接光电流计算（DPC）方法使用光响应性作为突触权重，使MAC操作在光照明时自发发生。

图1. 三种光电神经形态器件

然而，当前DPC器件的关键限制是它们完全依赖于电信号进行权重编程，这需要特定的外围电路，且读出光电流可能会干扰存储的权重值。相比之下，在DPC器件中实现光权重编程提供了一个变革性的机会，其可提供速度和带宽的固有优势，而主要挑战是解决光权重写入和基于成像的计算过程之间的基本干扰。

该研究提出了基于BOS材料平台的光可编程直接光电流计算器件，通过紫外光实现的可逆表面羟基解离重新配置氧空位动力学，从而实现光谱解耦的权重编程和光电流计算。作者通过实验发现，紫外光照射下，BOS材料表面的羟基发生解离，生成氧空位，这些氧空位作为有效的空穴捕获中心，导致持久光导性（PPC）的出现。该PPC效应不仅增强了材料在可见光范围内的光响应性，还为DPC提供了一个非易失性的突触权重。

图2. 基于BOS实现的DPC器件原型及其测试结果

基于此，作者实现了PIS阵列硬件，用于低功耗的粗分类任务，并作为更复杂视觉任务的预处理单元。此外，作者还提出了一个混合模型，将PIS前端与PNS后端相结合，在不同任务负载得情况下，有目的得在两者之间分配计算资源，以实现功耗和性能的平衡。这一模型在低功耗、简单特征提取的PIS模式下运行，仅在检测到感兴趣区域时切换到高性能的近传感器（PNS）模式，将复杂的细处理任务分配给近传感器处理。这种混合策略为现代边缘视觉系统提供了一种高效、多功能的操作方案。

图3. 不同视觉任务分配计算资源的分层处理流程

该研究成果的第一完成单位为北京理工大学，沈国震教授、王卓然教授与博士后冉文浩为通讯作者，集成电路与电子学院硕士研究生张圣强、王卓然教授、与王磊教授（南京邮电大学集成电路科学与工程学院）为论文共同第一作者。

该工作得到了中国国家自然科学基金会、河北自然科学基金会、北京自然科学基金会、北京工业研究院研究发现项目和科学科学基金会博士后项目的支持。

全文链接：Reconfigurable Hydroxyl Dissociation for Spectrally Decoupled Weight Programming and Photocurrent Computing – Zhang – Advanced Materials – Wiley Online Library