01

內(nèi)容概覽

現(xiàn)有技術(shù)缺點(diǎn)

CMOS弱光性能差：僅能感知1.0勒克斯照明，難檢測(cè)夜間/深空微弱光信號(hào)。

傳統(tǒng)計(jì)算能耗高：“感知-處理分離”架構(gòu)（如GPU）能耗比生物系統(tǒng)高9個(gè)數(shù)量級(jí)。

神經(jīng)形態(tài)器件適應(yīng)性差：弱光靈敏度低，無(wú)法模擬貓頭鷹暗適應(yīng)機(jī)制。

文章亮點(diǎn)

光電解耦雙模設(shè)計(jì)：模擬貓頭鷹暗適應(yīng)，三端晶體管結(jié)構(gòu)（絕緣聚合物包覆層+光吸收層）增強(qiáng)光敏性，并行光子感知與電學(xué)可塑性仿真。

超高弱光探測(cè)：主動(dòng)適應(yīng)指數(shù)331，感知0.146 nW·cm?2弱光（較CMOS提升3個(gè)數(shù)量級(jí)）。

穩(wěn)定突觸可塑性：循環(huán)LTP/LTD，支持0.146~11.7 nW·cm?2光強(qiáng)跨3種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)部署權(quán)重。

類(lèi)腦系統(tǒng)集成：無(wú)人機(jī)空對(duì)地識(shí)別系統(tǒng)，0.146~11.7 nW·cm?2下識(shí)別準(zhǔn)確率＞95%。

應(yīng)用場(chǎng)景

夜間監(jiān)控：城市安防、邊境巡邏無(wú)輔助照明目標(biāo)識(shí)別。

無(wú)人機(jī)搜救/探測(cè)：夜間搜救、深空（月球/火星）物質(zhì)識(shí)別。

精密制導(dǎo)：導(dǎo)彈、衛(wèi)星暗光環(huán)境目標(biāo)跟蹤。

總結(jié)

在光子匱乏環(huán)境中被動(dòng)目標(biāo)探測(cè)對(duì)于擴(kuò)展機(jī)器視覺(jué)在精密制導(dǎo)、智能監(jiān)控和預(yù)警等眾多應(yīng)用中的能力至關(guān)重要。 在此，受貓頭鷹視覺(jué)的啟發(fā)，作者報(bào)道了一種具有光電解耦機(jī)制的雙模突觸晶體管，能夠?qū)崿F(xiàn)并行的光子感知與電學(xué)可塑性仿真。由此，該器件表現(xiàn)出約331的高主動(dòng)適應(yīng)指數(shù)，并具有感知低至0.146 nW cm?2的微弱光強(qiáng)的能力。作者還實(shí)現(xiàn)了具循環(huán)穩(wěn)定性的突觸權(quán)重調(diào)制，呈現(xiàn)出長(zhǎng)期的增強(qiáng)與抑制行為，并通過(guò)自適應(yīng)對(duì)比度增強(qiáng)驗(yàn)證了在0.146–11.70 nW cm?2光強(qiáng)范圍內(nèi)跨三種基礎(chǔ)人工神經(jīng)層次部署權(quán)重的可行性。該受貓頭鷹視覺(jué)啟發(fā)的器件為面向能效化與低光圖像處理的類(lèi)腦視覺(jué)傳感器奠定了硬件基礎(chǔ)。

02

圖文簡(jiǎn)介

圖1. 受貓頭鷹啟發(fā)的類(lèi)神經(jīng)形態(tài)近傳感器計(jì)算。(a) 貓頭鷹視神經(jīng)生物學(xué)突觸傳遞示意圖。通過(guò)神經(jīng)遞質(zhì)釋放和突觸權(quán)重調(diào)節(jié)對(duì)脈沖信號(hào)（突觸后電流，PSC）在時(shí)空上的積分。 (b) 人造神經(jīng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。近傳感器計(jì)算架構(gòu)（左）模擬生物信號(hào)的感知與處理，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（右）通過(guò)可編程權(quán)重模擬突觸可塑性。 (c) 光適應(yīng)閾值示意圖。對(duì)比互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）光電感受器器件（約1 lux，對(duì)應(yīng)于555nm處約10^7 Wcm^-2的光強(qiáng)）、人類(lèi)夜視（10^-2 到 10^-1 lux，對(duì)應(yīng)于555 nm處約10^-9–10^-8 W cm^-2的光密度）和倉(cāng)鸮夜視（約10^-3 lux，對(duì)應(yīng)于555 nm處約10^-10 W cm^-2的光強(qiáng)）的光敏范圍。 (d) 貓頭鷹夜間光感受自適應(yīng)機(jī)制示意圖。隨著光照持續(xù)時(shí)間增加，時(shí)間依賴(lài)的光敏性（P(t)）上升，視網(wǎng)膜視桿細(xì)胞的暗適應(yīng)使得目標(biāo)成像逐步清晰。 (e) 自主無(wú)人機(jī)應(yīng)用示意圖：將光學(xué)感測(cè)、視覺(jué)自適應(yīng)和類(lèi)神經(jīng)形態(tài)計(jì)算集成，可在光子稀缺環(huán)境中無(wú)需輔助照明和后處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)檢測(cè)。

圖2. ODAS結(jié)構(gòu)表征與光適應(yīng)性能。(a) ODAS三維結(jié)構(gòu)示意圖：自下而上依次為ITO柵電極、PVA介電層（120nm）、PVCn:PbS納米晶光吸收層（100 nm）、Ag源/漏電極（100 nm）及C8-BTBT溝道層（50 nm）。(b) 橫截面透射電子顯微鏡（TEM）圖像（比例尺：25 nm）及相應(yīng)的能譜（EDS）映射圖（比例尺：25 nm）。(c) PVCn:PbS納米晶摻混薄膜與C8-BTBT溝道的吸收光譜。(d) 光適應(yīng)機(jī)制的動(dòng)態(tài)過(guò)程：光激發(fā)在PVCn:PbS層產(chǎn)生電子—空穴對(duì)（左）；在柵電壓作用下電子—空穴對(duì)分離，空穴被界面陷阱態(tài)俘獲并在溝道界面處累積（中）；去除光刺激后，載流子被重新俘獲并復(fù)合，完成類(lèi)似視桿細(xì)胞的光適應(yīng)循環(huán)（右）。(e) 在不同照度（0.146–11.7 nWcm?2）下隨適應(yīng)時(shí)間增加的漏極電流（IDS），展示對(duì)光強(qiáng)的自適應(yīng)能力。(f) 在不同適應(yīng)時(shí)間（1–30 s）下，光敏度（Pt）與照度的關(guān)系。(g) 主動(dòng)適應(yīng)指數(shù)（AAI）與光照強(qiáng)度的相關(guān)性。

圖3. ODAS 陣列的電路結(jié)構(gòu)與性能表征。(a) ODAS 陣列的示意圖。 (b) 1 9 × 1 7 ODAS 陣列的光學(xué)圖像（比例尺：2 mm）及單器件放大圖（比例尺：50 μm）。 (c) 等效電路拓?fù)洌航徊骊嚵薪Y(jié)構(gòu)由位線、字線和漏極電壓構(gòu)成。 (d) 器件間 IDS–VG雙向掃描曲線。 (e) 陣列上器件閾值電壓的空間分布。 (f) 陣列開(kāi)關(guān)比均勻性的分析。統(tǒng)計(jì)分布呈高斯特征（μ = 3.12，σ = 0.05）。 (g) ODAS 陣列上動(dòng)態(tài)光適應(yīng)過(guò)程的可視化。以定向方式對(duì)陣列施加光刺激以形成字母“X”、“J”、“T”、“L”和“U”。被激活器件的光電流在適應(yīng)過(guò)程中逐漸增加。

圖4. ODAS 的光控突觸特性。(a) ODAS 光突觸測(cè)試示意圖，光脈沖從器件底部的透明柵極輸入。 (b)光電突觸對(duì)輸入光脈沖表現(xiàn)出非易失響應(yīng)。輸出電流的變化表明其記憶信息的能力。 (c) ODAS 對(duì)不同波長(zhǎng)光脈沖（365nm、470 nm、590 nm 和 940 nm）的非易失光電流響應(yīng)。 (d) ODAS 在不同照度下（0.73 nW cm?2、1.46 nW cm?2 和 4.38 nW cm?2）對(duì)光脈沖的非易失光電流響應(yīng)。 (e) 光刺激后光電流的衰減速率。 (f) 在940 nm、超低光強(qiáng)0.146 nW cm?2 條件下的 ODAS 持續(xù)光電電流（PPC）。 (g) 在能量消耗與弱光檢測(cè)能力方面，ODAS 與已報(bào)道的光電突觸器件的比較。 (h) ODAS 的光子信息再記憶能力測(cè)試。

圖5. 使用電脈沖進(jìn)行的突觸特性測(cè)試。(a) ODAS 電脈沖測(cè)試示意圖。脈沖輸入由柵極電壓調(diào)控。 (b) 興奮性突觸后電流（EPSC）的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。在基線電壓（0.2 V）與峰值電壓（1.2 V）交替施加脈沖（脈寬500ms）作用下，0–16 s 區(qū)間內(nèi) EPSC 呈階梯狀上升，與長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)（LTP）的線性動(dòng)力學(xué)一致。 (c) 幅度依賴(lài)的電脈沖沖突突觸電流測(cè)試。在固定脈寬500 ms、頻率1Hz條件下，比較不同脈沖幅值（1.0 V、1.5 V 和 2.0 V）下 EPSC振幅的變化。 (d) LTP 與長(zhǎng)時(shí)程抑制（LTD）循環(huán)特性。峰值電壓在 1.2 V 與 -0.2 V 之間切換，表現(xiàn)出 30 個(gè)循環(huán)的穩(wěn)定性。 (e) LTP–LTD 循環(huán)測(cè)試的高 PSC 值與低PSC值的箱線圖（n = 30）。箱線圖中，水平中線表示中位數(shù)，下四分位數(shù)與上四分位數(shù)分別表示第25百分位與第75百分位，須端表示最大值與最小值。 (f)浮點(diǎn)權(quán)重與 4 位離散權(quán)重的硬件映射示意圖。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)全連接層的權(quán)重矩陣通過(guò)突觸電導(dǎo)值在物理上進(jìn)行編碼。 (g) 基于 ODAS 的多層感知器（MLP）在MNIST數(shù)據(jù)集上的 4 位仿真性能：測(cè)試準(zhǔn)確率達(dá)到 90%（藍(lán)色曲線），訓(xùn)練損失值隨迭代次數(shù)增加收斂至 0.12（橙色曲線）。

圖6. 智能目標(biāo)識(shí)別應(yīng)用示意圖。(a) 使用無(wú)人機(jī)模擬灰林鸮進(jìn)行夜間空對(duì)地識(shí)別的示意圖。 (b) 無(wú)人機(jī)在五個(gè)亮度等級(jí)下對(duì)目標(biāo)進(jìn)行光學(xué)捕獲的示意圖。 (c)均方根對(duì)比度與適應(yīng)時(shí)間的關(guān)系。圖像的均方根對(duì)比度可基于圖像灰度值映射到不同光強(qiáng)下的歸一化光電流來(lái)定義。 (d) 在不同照度水平仿真數(shù)據(jù)集上對(duì)YOLOv5網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練過(guò)程，隨著訓(xùn)練周期增加網(wǎng)絡(luò)損失值收斂。 (e) 在不同訓(xùn)練輪次下精確度、mAP_0.5和mAP_0.5:0.95的變化趨勢(shì)。 (f) 適應(yīng)過(guò)程中對(duì)比度變化對(duì)目標(biāo)識(shí)別置信度的影響。 (g) ODAS 與已報(bào)道的用于識(shí)別仿真的光學(xué)突觸器件的比較。

審核編輯 黃宇