沙特阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種人工神經(jīng)元，可利用光電實(shí)現(xiàn)神經(jīng)形態(tài)計(jì)算。新技術(shù)模仿突觸或神經(jīng)元功能，可適應(yīng)和重新配置其對(duì)光的響應(yīng)進(jìn)而完成計(jì)算。這項(xiàng)突破性進(jìn)展發(fā)表在最新一期《光：科學(xué)與應(yīng)用》雜志上。

團(tuán)隊(duì)利用二維材料二硒化鉿設(shè)計(jì)并制造了金屬氧化物半導(dǎo)體電容器（MOSCap）。這種器件采用了垂直堆疊結(jié)構(gòu)，其中二硒化鉿夾在兩層氧化鋁之間，并放置在p型硅襯底上。頂部覆蓋有一層透明的氧化銦錫，允許光線從上方進(jìn)入。當(dāng)二硒化鉿納米片被集成到電荷捕獲存儲(chǔ)器件中時(shí)，能實(shí)現(xiàn)光學(xué)數(shù)據(jù)傳感和保留功能，使其在光源移除后仍能重新配置以感應(yīng)光或存儲(chǔ)光學(xué)數(shù)據(jù)。

圖片:294785_63a47bc9-3b84-44e2-8ed4-15745d872562.png

新設(shè)計(jì)的光電器件可適應(yīng)光線，模擬突觸和神經(jīng)元進(jìn)行光學(xué)神經(jīng)形態(tài)計(jì)算。

實(shí)驗(yàn)表明，MOSCap的電荷捕獲和電容，會(huì)隨著光照條件的變化而變化，從而能作為智能存儲(chǔ)器，使用光信號(hào)進(jìn)行訓(xùn)練和響應(yīng)。例如，暴露于465納米波長(zhǎng)的藍(lán)光，可增強(qiáng)對(duì)635納米波長(zhǎng)的紅光的反應(yīng)，這是一種被稱為關(guān)聯(lián)學(xué)習(xí)的行為。在神經(jīng)形態(tài)計(jì)算中，MOSCap就像一個(gè)人工突觸，能同時(shí)展示出長(zhǎng)期增強(qiáng)（增加突觸反應(yīng)）和長(zhǎng)期抑制（減弱突觸反應(yīng)）的能力。

團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步探索了這些人工神經(jīng)元如何響應(yīng)和適應(yīng)不同強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間和波長(zhǎng)的光刺激。仿真實(shí)驗(yàn)的預(yù)測(cè)顯示，基于這些設(shè)備的電容式突觸陣列電路，可在識(shí)別行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)中的手寫數(shù)字任務(wù)中達(dá)到96%的準(zhǔn)確率。此外，這些設(shè)備還展示了檢測(cè)系外行星的潛力，通過(guò)識(shí)別恒星光強(qiáng)度的瞬態(tài)變化，其準(zhǔn)確率高達(dá)90%。

研究表明，此類具有內(nèi)存光傳感功能的設(shè)備，非常適合邊緣計(jì)算應(yīng)用，尤其是在需要快速處理和存儲(chǔ)大量光學(xué)數(shù)據(jù)的人工智能領(lǐng)域。其潛在的應(yīng)用范圍更為廣泛，包括自動(dòng)駕駛汽車、虛擬現(xiàn)實(shí)以及物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)等，為未來(lái)更具適應(yīng)性和能源效率的解決方案鋪平了道路。

相關(guān)鏈接：https://doi.org/10.1038/s41377-024-01698-6