光电装置模仿人类视觉，实现多样化的传感器内计算

Josiah02

大多数人在很大程度上依赖视觉来理解世界。最近的研究表明，人类的视觉系统是分层的，这意味着它处理不同层次的信息，从感官刺激的低级处理到与更高级认知能力相关的高级处理。
计算机科学家最近一直在尝试开发模仿人类视觉系统层次结构的系统，以有效处理不同层次的信息处理。实现这一目标的一种方法是传感器内计算，即把传感、记忆和处理功能集成到一个设备中。
清华大学的研究人员最近开发出一种新型光电设备，用于实现多样化的传感器内计算。《自然纳米技术》杂志发表的一篇论文介绍了这种设备，它基于一个完全集成的光电忆阻器 (OEM) 阵列，这些硬件组件既可以处理信息，也可以存储信息。
Heyi Huang、Xiangpeng Liang 及其同事在论文中写道：“基于新兴设备与互补金属氧化物半导体 (CMOS) 电路的传感器内计算的大规模单片集成仍然具有挑战性，缺乏硬件级别的功能演示。”
“我们报告了一个完全集成的 1 kb 阵列，该阵列具有 128×8 单晶体管单光电忆阻器 (OEM) 单元和硅 CMOS 电路，其具有可配置的多模式功能，涵盖三种不同的电子忆阻器模式、动态 OEM 和非易失性 OEM (NV-OEM)。
研究人员展示的设备利用电和光同时处理信息和存储数据，这对于传感器内计算应用至关重要。OEM 具有分层结构，其中各种材料（Pd/TiO x /ZnO/TiN）相互叠放。
值得注意的是，该团队的全集成 OEM 阵列具有不同的可配置操作模式。这些模式使系统能够模仿人类视觉系统的分层信息处理。
黄、梁和他们的同事写道： “这些模式是通过协同光学和电学操作来调节氧空位内的电荷密度来配置的，这已通过差分相衬扫描透射电子显微镜得到证实。”
到目前为止，研究人员已经在一系列初步实验中评估了他们的基于 OEM 的设备，并用它来运行计算机视觉算法。他们的发现非常有希望，因为 OEM 阵列在测试的所有三个视觉任务上都实现了良好的准确度，同时功耗也更低。
Huang、Liang 及其同事写道：“使用该 OEM 系统，可以演示三项视觉处理任务：图像传感预处理，通过 NV-OEM 模式将识别准确率从 85.7% 提高到 96.1%；使用动态 OEM 和 NV-OEM 模式，更高级的对象跟踪准确率达到 96.1%；使用完全基于 OEM 的传感器内储层计算系统，人体运动识别准确率达到 91.2%。”
“系统级基准测试进一步表明，它的能耗比图形处理单元低 20 倍以上。”
该研究团队最近的研究引入了一种新的经济高效的光电平台，该平台可能有利于实现各种传感器内计算应用。作为下一步研究的一部分，Huang、Liang 及其同事可以进一步优化其系统的性能，例如通过在 OEM 的顶部电极上使用透明材料来提高其光吸收率。