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“原子笑高”搭出类脑视觉传感器

时间:2020-06-29 14:31作者:admin打印字号:

  来源:知社学术圈

  在人脑处理的新闻中,超过80%都是经过眼睛获得的。人眼不光能够进走新闻的探测和同步处理,而且集体功耗极幼(远幼于20瓦)。相比而言,传统的机器视觉体系必要先探测再处理,行使的图像传感器在探测现在标图像的同时会产生大量冗余新闻,此类新闻经过有限的带宽传输给所连接的计算机进走处理和分析,从而导致较大的时间延长和较高的功耗。所以,构建一个能够媲美人眼、具备同步进走新闻探测和处理功能的类脑视觉传感器是人们不息寻找的梦想,对于智能工业、自动驾驶、智能安防等行使的发展也至关重要。近日,南京大学物理学院缪峰教授团队基于二维原料异质结,在可重构类脑视觉传感器周围取得重要挺进。

  二维原料有看成为后摩尔时代重要的基础电子原料,该周围的发展也让人们能够对原子层原料进走笑高式的堆叠和集成。近年来,南京大学缪峰团队行使“原子笑高”别离在耐高温忆阻器、弹道雪崩探测器件、室温高智慧红外探测器等倾向取得突破。

  在此基础上,该团队近日挑出,行使二维原料范德华异质结器件的组织特点和可调的光反响特性,能够实现对人眼视网膜的层状组织和感光细胞、双极细胞的生物特性模拟,基于这栽类视网膜形式器件,团队进一步构建了能够对感知的图片新闻进走同步处理的类脑视觉器件阵列。该做事有看为异日开发基于范德华异质结的新式类脑视觉芯片挑供物理和技术基础。有关钻研收获以《Gate tunable van der Waals heterostructure for reconfigurable neural network vision sensor》(基于栅极可调范德华异质结的可重构神经网络视觉传感器)为题于 2020年6月24日发外在Science Advances上。南京大学物理学院博士生王晨宇和梁世军副钻研员为共同第一作者,缪峰教授和美国麻省大学的杨建华教授为该做事的共同通讯作者,该做事同时得到了王振林教授课题组、陈坤基教授课题组和王肖沐教授课题组的实验组相符,和国家卓异青年科学基金、国家自然科学基金等项现在标资助,以及微组织科学与技术协同创新中央的声援。

  钻研收获

  人类视觉体系兴旺的新闻处理能力很大程度上倚赖于视网膜的组织和功能。视网膜中的始要细胞包括感光细胞、双极细胞等,这些细胞之间是垂直分层分布的组织。光透过瞳孔入射到视网膜上后,感光细胞将入射光转换为电学信号,流经双极性细胞,行使双极性细胞的生物特性对电学新闻进走肯定的添工和处理,添工后的图像新闻仅仅保留其始要的特征,再传输至大脑皮层进走进一步的图像处理和理解。经过这栽方式,视网膜在肯定程度上实现了新闻探测和处理的同步进走。为了实现对视网膜组织和功能的真切模拟,在该做事中,缪峰团队挑出能够经过“原子笑高”的方式搭建基于二维原料垂直异质结的类脑视觉传感器,这些垂直组织不光能够自然地模仿视网膜的垂直分层组织,而且异质结中包含的分歧二维原料可被用来模拟视网膜平分歧细胞的功能。

  在实验中,制造缪峰团队最先将死板剥离的薄层硒化钨和氮化硼以及氧化铝制备成垂直异质结器件。该异质结器件在无背栅或者正背栅电压作用下,表现出正的光电导走为,相通于双极细胞的正的光反响;当所添背栅电压为负的时候,器件表现出了负光电反响特征与双极细胞的负反响相通。钻研团队经过一系列的对比实验首先,指出器件的负光学反响来源于光诱发带电杂质产生的电场屏蔽效答。经过限制垂直异质结器件的栅压,团队始次实现了对感光细胞和双极细胞的生物功能的模拟,器件的反响时间和功耗均挨近人类视网膜的程度(图1)。

 图 1。 视网膜和视网膜形式器件。(a)视网膜的垂直分层组织包括了视锥细胞和双极性细胞以及视神经节细胞;(b)双极性细胞在分歧刺激条件下所具有的生物光学反响特征;(c)类视网膜形式器件的光学图;(d)垂直异质结器件在分歧栅压作用下表现出分歧的光学反响,相通于视网膜组织中双极性细胞的生物特征。 图 1。 视网膜和视网膜形式器件。(a)视网膜的垂直分层组织包括了视锥细胞和双极性细胞以及视神经节细胞;(b)双极性细胞在分歧刺激条件下所具有的生物光学反响特征;(c)类视网膜形式器件的光学图;(d)垂直异质结器件在分歧栅压作用下表现出分歧的光学反响,相通于视网膜组织中双极性细胞的生物特征。

  进一步,钻研团队将垂直异质结器件拼装成 3×3 的一个阵列,行使异质结器件栅压可调的光电反响特征,将图像处理中常用的数学卷积核映射到3×3 的器件阵列中,实现了可重构的图像新闻处理功能(图2),包括边缘添强、图像风格化、图像强度校正等。钻研发现这些实验首先与采用相通卷积核处理后的模拟首先相反,这外明基于垂直异质结阵列能够被用于在硬件上直接进走图片新闻的处理。

图 2。 可重构的视网膜形式芯片及其分歧的图像新闻处理方式。(a)背栅自力限制的可重构视觉传感器阵列暗示图;行使传感器阵列对南京大私塾徽图片进走(b)图像风格化(c)边缘添强(d)强度校正处理,所处理后的图片新闻和采用相通卷积核的模拟首先相反。图 2。 可重构的视网膜形式芯片及其分歧的图像新闻处理方式。(a)背栅自力限制的可重构视觉传感器阵列暗示图;行使传感器阵列对南京大私塾徽图片进走(b)图像风格化(c)边缘添强(d)强度校正处理,所处理后的图片新闻和采用相通卷积核的模拟首先相反。

  基于范德华异质结器件的功能行使除了同步的探测和新闻的处理之外,钻研团队发现器件阵列还能够用于图片的分类义务。经过将器件电导行为神经网络的权值,背栅的调节转折行为更新神经网络权值的一栽手腕,范德华异质结器件阵列能够实走神经网络的功能。钻研团队在实验中采用柔件辅助硬件的训练形式实现了对输入图像“N”,” J”, “U”字母的迅速识别(图3)。这一项做事从原理上表明,行使范德华异质结的特性模拟人类视网膜组织和功能的钻研思路有看异日被用来实现新式的类脑视觉芯片。

图 3。 基于范德华异质结视觉形式的传感器神经网络及训练暗示图和识别首先。(a)待识别的图片字母新闻;(b)异质结视觉形式传感器神经网络训练暗示图;(c)N”,” J”, “U”三类字母平均识别首先与训练次数的有关;(d)N”,” J”, “U”三类字母的分类情况与训练次数的有关。图 3。 基于范德华异质结视觉形式的传感器神经网络及训练暗示图和识别首先。(a)待识别的图片字母新闻;(b)异质结视觉形式传感器神经网络训练暗示图;(c)N”,” J”, “U”三类字母平均识别首先与训练次数的有关;(d)N”,” J”, “U”三类字母的分类情况与训练次数的有关。   声明:新浪网独家稿件,未经授权不准转载。 --> ,
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