張宇琦 王俊杰 呂子玉 韓素婷?

1) (深圳大學微納光電子學研究院,深圳 518060)

2) (深圳大學電子與信息工程學院,深圳 518060)

交互式人工智能系統(tǒng)的構(gòu)建依賴于高性能人工感知系統(tǒng)和處理系統(tǒng)的開發(fā).傳統(tǒng)的感知處理系統(tǒng)傳感器、存儲器和處理器在空間上是分離的,感知數(shù)據(jù)信息的頻繁傳輸和數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換造成了系統(tǒng)的長延時與高能耗.受生物感知神經(jīng)系統(tǒng)的啟發(fā),耦合感知、存儲、計算功能的感存算一體化技術(shù)為未來感知處理領(lǐng)域提供了可靠的技術(shù)方案.具有感知光、壓力、化學物質(zhì)等能力的憶阻器是應(yīng)用于感存算一體系統(tǒng)的理想器件.本文從器件層面綜述了應(yīng)用于感存算一體化系統(tǒng)憶阻器的研究方向和研究進展,包括視覺、觸覺、嗅覺、聽覺和多感官耦合類別,并在器件、工藝與集成、電路系統(tǒng)架構(gòu)和算法方面指出現(xiàn)階段的挑戰(zhàn)與展望,為未來神經(jīng)形態(tài)感存算一體化系統(tǒng)的發(fā)展提供可行的研究方向.

1 引言

人工智能領(lǐng)域現(xiàn)階段取得的成功引發(fā)了學習和模仿生物感知和處理系統(tǒng)來構(gòu)建未來交互式智能系統(tǒng)的熱潮.生物神經(jīng)系統(tǒng)主要分為兩部分:中樞神經(jīng)系統(tǒng)和外圍神經(jīng)系統(tǒng).中樞神經(jīng)系統(tǒng)負責完成高階任務(wù),如學習記憶,外圍神經(jīng)系統(tǒng)也被稱為感知系統(tǒng),負責感知外界刺激(化學物質(zhì)、光、壓力等)并將信息傳到中樞神經(jīng)系統(tǒng)和身體其他部位[1].感知系統(tǒng)可以直接進行一些低級的處理,如本能反應(yīng),即感知信號不需要發(fā)送到大腦系統(tǒng)就可做出響應(yīng).感知系統(tǒng)的邊緣處理不僅能快速響應(yīng)外部刺激以維持正常的生理活動,還能減少大腦的計算負擔[2].神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有存內(nèi)計算和大規(guī)模并行處理等特性[3].這些特性使我們在面對現(xiàn)實世界的事件時,能夠以穩(wěn)健容錯的方式做出合適的反應(yīng).受生物中樞神經(jīng)系統(tǒng)和感知系統(tǒng)處理模式的啟發(fā),一些科研人員將研究重點放在構(gòu)建仿生物的集感知、存儲、處理功能于一體(感存算一體化)的交互式系統(tǒng)[4-7].

在傳統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)中,由于不同的功能和制造工藝,傳感器、存儲器和處理器在空間上是分離的.傳感器收集現(xiàn)實環(huán)境中的模擬信號,模擬信號經(jīng)過預(yù)處理轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,隨后輸入到馮·諾依曼型數(shù)字計算架構(gòu)中的存儲器和處理器進行存儲和后續(xù)處理[8,9].隨著識別、分類等任務(wù)復雜度的提高,傳統(tǒng)感知系統(tǒng)會產(chǎn)生大量的未處理原始數(shù)據(jù),這加重了處理系統(tǒng)的工作負荷,而且數(shù)據(jù)的頻繁傳輸和格式轉(zhuǎn)換極大地限制了集成系統(tǒng)的工作性能[10].按感存算一體化系統(tǒng)的理念,系統(tǒng)邊緣基本單元應(yīng)耦合感知、存儲、處理功能于一體,并應(yīng)具有低功耗、小面積、高響應(yīng)速度等特性[9].感存算一體化系統(tǒng)基本單元的設(shè)計、制造和應(yīng)用的研究對于實現(xiàn)交互式人工智能系統(tǒng)是至關(guān)重要的.

憶阻器是近年來備受關(guān)注的一類新型存儲器件,具有操作速度快、功耗低、集成密度高等優(yōu)勢.其電阻狀態(tài)可以由所施加過的電激勵歷史控制,數(shù)據(jù)信息可以以電阻的形式存儲.此外,這種基于電阻的存儲器本質(zhì)上就通過物理法則(如歐姆定律和基爾霍夫定律)來處理信息,融合了存儲和處理功能(存內(nèi)計算)[11-15].憶阻器與生物突觸在結(jié)構(gòu)、物理行為和功能上有著極高的相似性,被廣泛應(yīng)用于構(gòu)建可模擬生物突觸可塑性的人工突觸.基于憶阻器的人工突觸是人腦啟發(fā)的硬件類腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電路的基本存儲處理單元,神經(jīng)形態(tài)的憶阻器突觸網(wǎng)絡(luò)具備處理復雜高階任務(wù)的能力[16-19].顯然,將傳感功能引入已具備存算一體特性的憶阻器突觸是一種實現(xiàn)感存算一體化單元的策略.將仿生感知技術(shù)和神經(jīng)形態(tài)工程技術(shù)相結(jié)合來實現(xiàn)感存算功能一體化,將會開啟人工智能的新時代.近年來,國內(nèi)外許多研究組專注于開發(fā)傳感器與憶阻器突觸的集成,或融合傳感功能的憶阻器突觸.多模(光、壓力、化學物質(zhì)等)調(diào)控的憶阻器突觸為實現(xiàn)感存算一體系統(tǒng)提供了切實可行的解決方案[20-25].

本文首先介紹感存算一體化系統(tǒng)的工作機制和應(yīng)用場景、憶阻器及人工突觸,然后從器件層面綜述了應(yīng)用于感存算一體化系統(tǒng)的憶阻器突觸的研究方向和研究進展,包括視覺、觸覺、嗅覺、聽覺和多感官耦合的類別.最后在器件、工藝與集成、電路系統(tǒng)架構(gòu)和算法4 個方面指出現(xiàn)階段的挑戰(zhàn)與展望,為未來神經(jīng)形態(tài)感存算一體化系統(tǒng)的發(fā)展提供可行的建議.

2 感存算一體化系統(tǒng)

仿生機器人系統(tǒng)、無人駕駛汽車、可穿戴醫(yī)療設(shè)備等眾多新興領(lǐng)域的出現(xiàn)加速了人工智能技術(shù)的發(fā)展,同時也對感知網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)提出了更高的要求.感知系統(tǒng)是從復雜環(huán)境中獲取信息不可或缺的部分,應(yīng)用于人工感知網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點的個數(shù)正在飛速增長,伴隨而來的是大量的原始非結(jié)構(gòu)化的冗余數(shù)據(jù).傳統(tǒng)的感知系統(tǒng)包含接收信號、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化預(yù)處理、數(shù)據(jù)傳輸功能,數(shù)據(jù)被傳輸至當?shù)赜嬎阆到y(tǒng)或云平臺進行后續(xù)的高階計算.傳感大多發(fā)生在有噪聲的模擬信號域,而計算通常采用傳統(tǒng)的馮·諾依曼計算體系結(jié)構(gòu)進行數(shù)字化執(zhí)行,其對應(yīng)的架構(gòu)如圖1(a)所示.由于功能需求和制造技術(shù)的差異,感知系統(tǒng)與計算系統(tǒng)在物理上分離.這種基于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和傳輸?shù)奶幚聿呗詷O大影響了系統(tǒng)的能耗、響應(yīng)速度、通信帶寬和安全性等方面[9].

相比而言,生物感知處理系統(tǒng)具有完備的層次結(jié)構(gòu)、計算和存儲一體化特性以及復雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),能夠高效地處理來自復雜環(huán)境的信息.視覺、觸覺、聽覺、嗅覺和味覺這5 種基本感覺通過人體大腦中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相互作用產(chǎn)生信息(圖1(b)),使人們能夠探索、學習和適應(yīng)世界.受生物系統(tǒng)的啟發(fā),科研人員致力于深度挖掘生物感知系統(tǒng)的工作原理,應(yīng)用其原理至半導體器件中實現(xiàn)新型的傳感功能器件,進而取代或者加強傳統(tǒng)的傳感器[26].科研人員提出一種有潛力的方案是構(gòu)建感知、存儲、計算一體化的人工智能系統(tǒng).在感存算一體系統(tǒng)中,感知單元融合了存儲計算功能,具有額外的初步學習和認知能力,其框架圖如圖1(c)所示.神經(jīng)形態(tài)感知系統(tǒng)能夠從捕獲的原始數(shù)據(jù)中提取有用的感知信息并減少冗余數(shù)據(jù)的傳輸,可以降低系統(tǒng)功耗并提供了一種高效的并行計算方法來實時處理高吞吐量的時空數(shù)據(jù).感知端的邊緣計算包含低級處理功能和高級處理功能.低級處理功能可以優(yōu)化難以識別的原始和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)中的特征,包括噪聲抑制、濾波、特征增強等,如圖1(d)所示.高級處理功能可以抽象輸入的數(shù)據(jù),通過特定算法得到計算結(jié)果,完成如識別、分類、定位等任務(wù).為了加速神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學習算法的硬件實現(xiàn),即感存算一體單元陣列直接執(zhí)行高階任務(wù),傳感器陣列應(yīng)具有可重構(gòu)響應(yīng)度特性.如圖1(e)所示,系統(tǒng)邊緣有m×n個感存算單元,感知激勵輸入為I 矢量,R為響應(yīng)度矩陣,則最終的電流輸出矩陣O 可根據(jù)基爾霍夫定律疊加得到.在這里,每個基本單元對于輸入刺激源的響應(yīng)度是可調(diào)控更新的,類似于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的突觸權(quán)重,外界刺激輸入至訓練好的感存算單元陣列即可得到乘累加的高階操作結(jié)果.

如圖1(f)所示,感存算一體化技術(shù)在需要交互式人工智能系統(tǒng)的領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用場景,如自動駕駛、可穿戴柔性電子設(shè)備、仿生機器人、醫(yī)療檢測等,用于感知、存儲、計算的神經(jīng)形態(tài)器件的開發(fā)極大地促進了人工智能領(lǐng)域的發(fā)展.該應(yīng)用領(lǐng)域需要更多的跨學科合作,要實現(xiàn)感存算一體系統(tǒng)關(guān)鍵的第一步即是從材料/器件層級設(shè)計出符合預(yù)期功能的基本工作單元.

圖1 (a) 傳統(tǒng)的感知處理系統(tǒng)架構(gòu);(b) 人體五感示意圖;(c) 感存算一體化系統(tǒng)架構(gòu);(d) 低級感官處理功能;(e) 用于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算的可重構(gòu)響應(yīng)度的感存算一體單元陣列;(f)感存算一體化技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域Fig.1.(a) Traditional architecture of sensing and processing;(b) schematic of human sensory system;(c) in-sensor computing architecture;(d) low-level sensory processing functions;(e) in-sensor computing units with reconfigurable responsivity for neural network computing;(f) application fields of in-sensor computing technology.

3 憶阻器突觸

3.1 憶阻器

非線性電子元件憶阻器的概念最初是由加州大學伯克利分校蔡少棠教授提出的,而后惠普實驗室成功制備了憶阻器原型器件[27].典型的兩端憶阻器具有金屬-介質(zhì)層-金屬的結(jié)構(gòu),外部激勵場可重構(gòu)介質(zhì)層的物理結(jié)構(gòu)狀態(tài),調(diào)控的狀態(tài)取決于所施加過的外部激勵歷史(圖2(a)).具有不同物理結(jié)構(gòu)的憶阻器呈現(xiàn)出不同的電阻狀態(tài),憶阻器在施加激勵的過程中表現(xiàn)出電阻變化行為,這賦予了器件基本存儲器的特性[14].基礎(chǔ)材料和器件研究表明,憶阻器中的物理重構(gòu)過程主要是由內(nèi)部離子遷移再分布引起的,介質(zhì)層中導電細絲的形成與斷裂改變了器件的導電性.該物理過程根據(jù)響應(yīng)時間尺度可分為突發(fā)的或漸進的,分別對應(yīng)于數(shù)字型憶阻器和模擬型憶阻器.數(shù)字型憶阻器具有兩個區(qū)分度明顯的離散阻態(tài),以存儲器的角度看,低電阻狀態(tài)與高電阻狀態(tài)可分別對應(yīng)邏輯1 和邏輯0(圖2(b)).開啟操作定義為器件從高阻態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥钁B(tài),而關(guān)閉操作定義為器件從低阻態(tài)恢復為高阻態(tài).在電壓掃描下模擬型憶阻器具有連續(xù)型變化的阻態(tài),可被看作多比特存儲器(圖2(c)).

圖2 (a) 兩端憶阻器示意圖;(b) 數(shù)字型憶阻器的典型電壓-電流曲線;(c) 模擬型憶阻器的典型電壓-電流曲線;(d) 憶阻器常見機理;(e) 數(shù)字型和模擬型憶阻器的應(yīng)用Fig.2.(a) Schematic of a two-terminal memristor;(b) typical I-V curve of digital memristor;(c) typical I-V curve of analog memristor;(d) three main mechanisms of memristors;(e) application of analog and digital memristor.

如圖2(d)所示,憶阻器的物理機理可主要分為三大類[28]:一是導電細絲型[29-31],電場可以驅(qū)動陽/陰離子在介質(zhì)層中遷移進而控制連接兩端電極的導電細絲的形成與斷裂,器件的電阻狀態(tài)取決于導電細絲的尺寸和穩(wěn)定程度;二是非導電細絲型[32,33],器件的電阻狀態(tài)由介質(zhì)層中載流子捕獲/解捕獲或離子遷移調(diào)制的界面肖特基/隧穿勢壘決定;三是晶相變化[34,35],與常見的憶阻器中局部離子遷移物理機量不同,外部電刺激產(chǎn)生的熱效應(yīng)會使相變憶阻器的相變層在非晶相(高阻態(tài))和結(jié)晶相(低阻態(tài))之間切換.基于其他效應(yīng)(如鐵電效應(yīng)、磁電效應(yīng))的器件也表現(xiàn)出典型的憶阻特性,然而這些類型的器件仍需大量的科學研究去改進其性能.

鑒于其快操作速度、結(jié)構(gòu)簡單、低功耗、集成度高等優(yōu)勢,憶阻器在下一代存儲計算技術(shù)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的潛力.在傳統(tǒng)的馮·諾依曼計算機架構(gòu)中,數(shù)據(jù)處理單元與存儲單元在空間上是分離的,數(shù)據(jù)需要在處理器與存儲器之間的反復傳輸極大地限制了計算機的處理能力.存內(nèi)計算設(shè)計的理念是應(yīng)用集存儲與計算功能一體的單元構(gòu)建高并行度高性能的計算系統(tǒng).憶阻器除了數(shù)據(jù)存儲能力,本質(zhì)上就可以通過物理法則(歐姆定律、基爾霍夫定律)對信息計算處理.因此,憶阻器是一種模糊了存儲與計算的邊界的存儲器技術(shù),器件本身展示出了類人腦存內(nèi)計算的概念,是實現(xiàn)了存算一體化功能的基本單元.如圖2(e)所示,數(shù)字型憶阻器和模擬型憶阻器有不同的應(yīng)用領(lǐng)域.數(shù)字型憶阻器常被用于數(shù)字邏輯門的實現(xiàn).布爾邏輯的狀態(tài)(1 和0)映射為憶阻器的電阻狀態(tài)(低阻態(tài)和高阻態(tài)),即輸入和輸出用憶阻器的電阻狀態(tài)表示,基于數(shù)字型憶阻器的邏輯電路具備邏輯門和鎖存器的特性.模擬型憶阻器陣列則被應(yīng)用于在單個計算周期內(nèi)實現(xiàn)乘累加計算.電壓刺激輸入至憶阻器陣列的行后,模擬型憶阻器單元充當了矩陣點乘運算的權(quán)重值,由歐姆定律可知每個憶阻單元的電流為輸入電壓與器件電導的乘積(乘法運算),由基爾霍夫定律可知憶阻器陣列的列輸出電流為對應(yīng)節(jié)點的累加電流(累加運算).高并行度以及高吞吐量的特性使得模擬型憶阻器非常適合加速計算密集型應(yīng)用(如硬件人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))[12].

3.2 人工突觸

為了突破馮·諾依曼瓶頸,研究人員致力于開發(fā)模擬人腦處理信息、學習、記憶的智能處理系統(tǒng).腦神經(jīng)系統(tǒng)的高效性主要突顯在大腦皮質(zhì)中大型復雜的神經(jīng)元互連網(wǎng)絡(luò),其中包含了約1011個神經(jīng)元及1015個神經(jīng)突觸.在大腦系統(tǒng)中,神經(jīng)元負責從前神經(jīng)元收集并處理輸入信號,隨后輸出動作電位到后神經(jīng)元;突觸則是前神經(jīng)元與后神經(jīng)元之間的間隙,它是神經(jīng)系統(tǒng)中調(diào)控信號傳遞的基本單元.突觸權(quán)重是衡量神經(jīng)元間的連接強度的參數(shù),其作用體現(xiàn)在一次信號傳輸過程中控制著突觸前膜的神經(jīng)遞質(zhì)囊泡的數(shù)量及大小.突觸的性質(zhì)(功能、權(quán)重等)發(fā)生變化的現(xiàn)象被稱為突觸可塑性,是大腦學習與記憶的神經(jīng)分子基礎(chǔ),模擬該生物功能是實現(xiàn)神經(jīng)形態(tài)電路的關(guān)鍵部分.突觸可塑性按記憶時間長短可分為短時程可塑性(short-term plasticity,STP) 和長時程可塑性(long-term plasticity,LTP),還有放電時間依賴可塑性(spikingtiming-dependent plasticity,STDP)、放電速率依賴可塑性(spiking-rate-dependent plasticity,SRDP)、經(jīng)驗學習等[36].在生物學中,突觸權(quán)重參數(shù)的增大和減小對應(yīng)著增強和抑制.人腦的短時記憶一般持續(xù)毫秒到數(shù)分鐘,突觸的STP 行為通過刺激被短暫地維持,突觸權(quán)值短暫增加或減少隨后迅速恢復到初始狀態(tài).然而,重復輸入脈沖刺激會產(chǎn)生一個永久的變化,稱為LTP 狀態(tài).這種依賴于外界活動的調(diào)制特性促進了信息在人腦中的處理和存儲.STP和LTP 是大腦中最主要的兩種突觸可塑性的形式.STP 往往是短期或一些突發(fā)性活動引起,可以幫助大腦過濾掉部分非必要的信息,而LTP 則是在短時記憶的基礎(chǔ)上經(jīng)過反復訓練形成的永久性記憶,STP 到LTP 的轉(zhuǎn)化需要充分的訓練[37].

基于互補金屬氧化物半導體(complementary metal-oxide-semiconductor transistor,CMOS)技術(shù)來構(gòu)建單個神經(jīng)形態(tài)計算單元需要超過10 個晶體管及電容、電阻等其他電子元件,功耗及面積遠超人腦,因而傳統(tǒng)CMOS 器件并不是構(gòu)建高能效智能類腦系統(tǒng)的理想技術(shù)方案.相比而言,憶阻器的出現(xiàn)大大促進了硬件神經(jīng)形態(tài)電路飛速發(fā)展.憶阻器與生物突觸有著極高的相似性:在結(jié)構(gòu)上,憶阻器的兩端電極對應(yīng)著突觸前膜和突觸后膜,憶阻器中的介質(zhì)層對應(yīng)著突觸;在物理行為上,外部刺激使得憶阻器內(nèi)部的離子遷移引起介質(zhì)層物理重構(gòu),生物突觸則是通過釋放神經(jīng)遞質(zhì)在突觸間隙中傳遞;在功能上,模擬型憶阻器的電阻狀態(tài)可以被外場刺激調(diào)控,對應(yīng)著生物突觸的可塑性.鑒于憶阻器的諸多優(yōu)勢,許多科研人員致力于構(gòu)建基于憶阻器的硬件形態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電路系統(tǒng)[16].

4 感存算一體單元

近年來,大量的科學研究專注于開發(fā)出多模式調(diào)控的憶阻器突觸將其應(yīng)用于未來感知、存儲、計算一體化的研究方向.本節(jié)介紹應(yīng)用在各種人工感知系統(tǒng)的憶阻器單元,包括視覺[38-60]、觸覺[61-68]、嗅覺[69-75]、聽覺[76-79]和多模感知領(lǐng)域[41,80,81].

4.1 視覺感存算一體單元

視覺是人類重要的一種感官,近一半的大腦皮層忙于處理視覺信息,通過視覺可以判斷物體的大小、形狀、顏色、亮度、距離、位置、光滑度、粗糙度等.傳統(tǒng)機器視覺系統(tǒng)通常由3 個獨立單元組成,包括圖像傳感器(光電探測器)、存儲器和處理單元.相比之下,人類視覺系統(tǒng)具有傳感和處理功能相結(jié)合的能力.在人類視覺系統(tǒng)中,視網(wǎng)膜在接受光信號的同時會對圖像進行初步預(yù)處理,隨后將提取到的精簡信息傳遞到視覺皮層進行更復雜的信息處理(圖3(a)).為了模擬該生物視覺成像過程,科研人員首先研究開發(fā)光調(diào)控的憶阻器突觸器件.光調(diào)控憶阻器突觸在直接響應(yīng)光學刺激的同時,可以對視覺感知信息進行記憶和實時處理.光調(diào)控憶阻器突觸可作為視覺感存算一體系統(tǒng)中的基本器件,能實現(xiàn)人類視覺系統(tǒng)從視網(wǎng)膜到視覺皮層的感知和處理過程.理想的感存算一體系統(tǒng)中,光響應(yīng)憶阻器的光響應(yīng)度是可調(diào)控的,則感知陣列可以直接組成感知處理神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)低級與高級任務(wù).Mennel 等[82]構(gòu)建了一個由基于二硒化鎢的光電晶體管組成的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),每個晶體管的光響應(yīng)度可以單獨調(diào)節(jié).改變光電二極管的光響應(yīng)度就可以改變神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的連接強度,即突觸權(quán)重.該系統(tǒng)將光學傳感與神經(jīng)形態(tài)計算相結(jié)合,可以執(zhí)行簡單的計算任務(wù).基于晶體管結(jié)構(gòu)的視覺感存算一體化技術(shù)發(fā)展程度比憶阻器結(jié)構(gòu)的要高,光調(diào)控憶阻器突觸陣列僅能做一些低級任務(wù)處理,如何設(shè)計光響應(yīng)度可調(diào)控的光控憶阻器突觸是跨入高級任務(wù)處理的重要研究方向.

圖3 (a) 人類視覺系統(tǒng)示意圖;(b)突觸、神經(jīng)元和制備的憶阻器示意圖;(c)大腦STP 和LTP 行為的示意圖;(d) 人工突觸在紅光和紫外光刺激下電流響應(yīng)對比圖[42];(e) 可見光/紫外光調(diào)控突觸可塑性示意圖;(f) 人工突觸在可見光脈沖刺激下的電流響應(yīng);(g) 人工突觸在紫外光脈沖刺激下的電流響應(yīng);(h) 可見光調(diào)控的突觸STDP 功能模擬;(i) 基于憶阻器陣列的視覺感存算一體系統(tǒng)低級處理和高級處理功能示意圖[56]Fig.3.(a) Schematic of the human visual system;(b) schematic diagrams of the synapse,neuron,and two-terminal memristor;(c) schematic diagram of STP and LTP behavior;(d) comparison of current response of artificial synapses under red light and ultraviolet light[42];(e) diagram of synaptic plasticity regulated by visible/ultraviolet light;(f) current response of artificial synapses stimulated by visible light pulses;(g) current response of artificial synapses stimulated by ultraviolet light pulses;(h) simulation of synaptic STDP function regulated by visible light;(i) schematic diagram of low-level and high-level processing functions of visual insensor computing system based on memristor array[56].

2019 年,Zhou 等[39]設(shè)計了具有Pd/MoOx/ITO結(jié)構(gòu)的光電價變憶阻器突觸器件.器件在365 nm紫外光刺激后從高阻態(tài)轉(zhuǎn)化為低阻狀態(tài)且具有非易失特性,當施加負壓到—2.13 V 時器件復位.其機理可解釋為:在UV 照射后,MoOx薄膜中產(chǎn)生電子和空穴,光生空穴和水分子之間反應(yīng)產(chǎn)生質(zhì)子(H+).光生電子、質(zhì)子導致Mo 的價態(tài)從6+變?yōu)?+,從而影響了介質(zhì)層的導電性.在復位過程中,電場驅(qū)動質(zhì)子漂移使器件恢復為高阻態(tài)(開關(guān)比約為40).和傳統(tǒng)傳感器相比該光電憶阻器的輸出電流具有時間依賴性,輸入光脈沖強度和寬度影響著輸出電阻狀態(tài),即器件可以模擬突觸功能,且具有光可調(diào)的突觸可塑性.在較高的光強下,器件脈沖電流增加得更快、保持時間更長.相應(yīng)地,亮度越高的像素積累效果越強,器件實現(xiàn)了圖像的對比度增強功能.Zhou 等[39]選取字母“P”,“U”,“C”進行圖像識別,使用憶阻器陣列突出字母特征,平滑背景噪聲.憶阻器陣列預(yù)處理后的圖像輸入網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過1000 次訓練后,網(wǎng)絡(luò)的識別率高達0.986,這說明前端圖像預(yù)處理功能的實現(xiàn)有效地提高了后續(xù)處理任務(wù)的處理效率和精度.然而由于材料限制,器件只對UV 有響應(yīng),而人類視覺系統(tǒng)需要對外界較寬的波長范圍響應(yīng),若要更真實地模擬人類視覺系統(tǒng),器件的響應(yīng)波長范圍還需要進一步拓寬.Wang 團隊[44]將具有ITO/ZnO/Ag 結(jié)構(gòu)的非易失電化學光電憶阻器應(yīng)用于可感知白光的感存算一體化系統(tǒng).白光誘導器件內(nèi)部產(chǎn)生電子-空穴對,光生電子吸引電極上的Ag+移動到功能層形成導電細絲,憶阻器在白光照射下從高阻態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥钁B(tài).ZnO 憶阻器的電導狀態(tài)在光刺激時增大,在電刺激時減小,模擬生物突觸LTP/LTD 特性.團隊使用光電憶阻器來模擬構(gòu)建了一個用于感存算一體的人工視覺系統(tǒng),網(wǎng)絡(luò)在1000 次訓練后,人臉識別準確率達到86.7%.然而白光包含多波長的光刺激,該項工作并未對不同波長光源輸入展開研究,區(qū)分不同波長的感知功能的研究有利于更加真實的場景應(yīng)用.

如圖3(b)所示,Yang 及其團隊[42]利用真空沉積法制備了模擬光子突觸功能的兩端人工突觸器件,器件結(jié)構(gòu)為ITO/SnO2/CsPbCl3/TAPC/TAPC:MoO3/MoO3/Ag/MoO3.紫外光照射下SnO2納米粒子和CsPbCl3鈣鈦礦界面中的載流子捕獲和釋放使得器件的電導率可受光調(diào)控,也使器件在光驅(qū)動下可以模擬生物突觸的STP 和LTP 等行為(圖3(c)).在強紫外光較長時間照射下,突觸的響應(yīng)電流在開始時增加隨后逐漸下降,器件的這種特性成功模仿了人眼虹膜在強光照射下自動控制入射光量的行為.此外,TAPC:MoO3薄膜的存在使器件具有檢測深紅光的能力,但由于它不會觸發(fā)光載流子的捕獲/釋放,因此器件在紅光刺激下不具有記憶和存儲功能,如圖3(d)所示.雖然紅光的引入并不能激發(fā)器件的突觸行為,但也使器件具有在紫外光和紅外光下雙模式的工作能力.在2021 年,Shan 等[56]利用表面等離子體共振和光激發(fā)原理設(shè)計了一種具有Au/Ag-TiO2/FTO 結(jié)構(gòu)的等離子體光電憶阻器,器件具有完全光調(diào)控的突觸可塑性,且響應(yīng)光波范圍為300—800 nm(紫外光及可見光范圍),如圖3(e)所示.在可見光的照射下,Ag納米粒子的表面由于等離子體共振效應(yīng)發(fā)生光氧化而產(chǎn)生熱電子,熱電子使界面肖特基勢壘降低從而提高了器件的導電性.該效應(yīng)允許器件具有可見光誘導的突觸長時程增強效應(yīng)(圖3(f)).而UV 光輻照可以導致Ag+的光還原,器件具有紫外光誘導的突觸長時程抑制效應(yīng)(圖3(g)).基于光調(diào)控LTP和LTD 特性,憶阻器陣列實現(xiàn)了對圖像預(yù)處理的功能.相比傳統(tǒng)電學預(yù)處理操作,團隊利用器件全光調(diào)制的優(yōu)勢,使用紫外光刺激來降低長期噪聲點,從而愈加突出了圖像的主要特征.進行預(yù)處理后的圖像傳輸?shù)焦怆姂涀杵魃窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)進行訓練和識別,基于STDP 權(quán)重更新法則(圖3(h)),300 次訓練后網(wǎng)絡(luò)可擁有98%的識別率.在這項工作中,基于全光調(diào)制的人工憶阻器突觸實現(xiàn)了感存算一體系統(tǒng)的低級和高級功能,如圖3(i)所示.

4.2 觸覺感存算一體單元

皮膚下的觸覺感受器能夠接受外部壓力刺激,產(chǎn)生的響應(yīng)信號經(jīng)神經(jīng)系統(tǒng)傳入大腦形成了觸覺(圖4(a)),觸覺信號被神經(jīng)系統(tǒng)存儲下來便成為觸覺記憶使我們更好地對外界環(huán)境作用,指導我們?nèi)粘Ｉ钪袑ξ矬w的握力和互動.在人機交互、柔性機器人等領(lǐng)域,所感知到的觸覺應(yīng)能被反饋來檢測/操縱目標,否則這些設(shè)備在面對熟悉的物體時仍然會感到僵硬和生疏.像人類一樣進行觸覺感知和處理的仿真對于未來的智能交互系統(tǒng)是至關(guān)重要的,而基于憶阻器的觸覺感存算一體單元的開發(fā)更是具有舉足輕重的意義.

圖4 (a) 生物觸覺感知系統(tǒng)示意圖;(b) 壓力傳感器和Nafion 憶阻器集成的人工觸覺感知系統(tǒng);(c) 觸覺系統(tǒng)在不同按壓力度下的電流響應(yīng)圖;(d) 對采集到的數(shù)據(jù)進行K 鄰近分類網(wǎng)絡(luò)算法處理[61];(e) 集成觸覺傳感器和HfO2 基憶阻器的觸覺感覺神經(jīng);(f)“SOS”和“TEAM”莫斯電碼信號刺激人工觸覺神經(jīng)元的電流響應(yīng)[66];(g) MXene 傳感器、ADC-LED 電路、光電憶阻器構(gòu)成的神經(jīng)系統(tǒng);(h) 光調(diào)控的突觸PPF 模擬[64]Fig.4.(a) Schematic illustration of the biological haptic perception system;(b) artificial haptic perception system consisting of pressure sensor and Nafion-based memristor;(c) current response of tactile system at different pressing magnitudes;(d) schematic of processing by K-nearest neighbors algorithm[61];(e) tactile sensory nerve consisting of haptic sensor and HfO2-based memristor;(f) current response of artificial tactile neuron under“SOS”and“TEAM”Morse code signals stimulus[66];(g) artificial afferent nerve system integrating MXene sensor,ADC-LED circuit and optoelectronic memristor;(h) simulation of photo-tunable synaptic PPF behavior[64].

目前科研人員主要應(yīng)用多種功能器件集成來搭建感存算一體化觸覺系統(tǒng).Zhang 等[61]將金包覆金字塔結(jié)構(gòu)的壓阻傳感器與基于Nafion 的憶阻器連接,模擬了人工觸覺感知系統(tǒng),其系統(tǒng)示意圖如圖4(b)所示.壓阻傳感器將壓力刺激轉(zhuǎn)換為電脈沖,然后電刺激輸送至憶阻器.Nafion 憶阻器中質(zhì)子的量受電刺激調(diào)控,器件具有連續(xù)可調(diào)的電導狀態(tài),實現(xiàn)了基本的生物突觸可塑性如括雙脈沖抑制(paired-pulse depression,PPD)、雙脈沖易化(paired-pulse facilitation,PPF)、STDP 的模擬.突觸后電流受壓力幅度(圖4(c))、作用次數(shù)、頻率和持續(xù)時間調(diào)控,基于此特性,團隊將人工觸覺系統(tǒng)的輸出電流輸入至K鄰近分類網(wǎng)絡(luò)用于識別不同手寫字母(圖4(d)).類似地,Xia 等[66]搭建了碳納米管/聚二甲基硅氧烷與HfO2憶阻器結(jié)合的電子皮膚系統(tǒng),如圖4(e)所示.基于蘆葦葉模板的PDMS襯底與碳納米管活性層結(jié)合構(gòu)成的壓阻傳感器作為電子皮膚將外界物理刺激轉(zhuǎn)換為電信號.電壓刺激作用于Pt/HfO2/TiN 憶阻器,使得HfO2活性層中氧空位導電細絲形成和斷裂進而影響著器件電阻狀態(tài),器件的響應(yīng)電流對應(yīng)著生物突觸后電流.傳感器獨特的多尺寸傳感層表面保證了系統(tǒng)具有較寬的壓力探測范圍和超高的靈敏度和線性度.HfO2憶阻器被用于模擬生物突觸功能,存儲并處理輸入的壓力信息.該人工觸覺感知神經(jīng)元系統(tǒng)通過識別外部壓力實現(xiàn)了莫斯碼的準確解碼(圖4(f)),具有保持性能優(yōu)越和穩(wěn)定性好的特點.

在傳感-處理的架構(gòu)下,Tan 等[64]對人工觸覺系統(tǒng)做了進一步的性能優(yōu)化.與傳統(tǒng)壓電轉(zhuǎn)換處理方式不同的是,他們采用壓電轉(zhuǎn)換-電光轉(zhuǎn)換的編碼模式,將光脈沖序列作為攜帶數(shù)據(jù)信息的形式.在系統(tǒng)中,壓力刺激經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器和發(fā)光二極管耦合電路,被編碼為光脈沖序列再輸送至具有ITO/ZnO/NSTO 結(jié)構(gòu)的光電憶阻器中(圖4(g)),憶阻器成功模擬了突觸的基本可塑特性(圖4(h)).仿生的尖峰序列編碼方式比電壓幅值編碼方式更加穩(wěn)定,因為電壓幅值會因后電路的寄生電阻衰減,而且尖峰序列形式允許頻率編碼和時間編碼等多種編碼策略.此外,光作為信息載體可以非接觸地作用于光電憶阻器突觸,即光信息與器件的通信不局限于點對點,可以是多位點信息源耦合作用于憶阻器突觸,光通信方式的功耗、速度與靈活性都優(yōu)于純電場調(diào)控形式.該仿生觸覺系統(tǒng)不僅能夠檢測和識別多個壓力輸入,還可以識別莫斯碼、盲文和物體運動.光電憶阻器突觸可以降維提取圖像特征值,使得系統(tǒng)能夠以較高效率識別和記憶手寫字母和單詞.在上述工作中,憶阻器突觸僅實現(xiàn)了存儲和計算功能,系統(tǒng)的傳感功能依賴于壓力傳感器實現(xiàn),即憶阻器突觸尚未融合傳感功能,不能原位處理感知信息.

理想的觸覺感存算一體化邊緣單元應(yīng)具備原位感知壓力后存儲并處理信號的能力,這對于典型的兩端結(jié)構(gòu)的憶阻器是難以實現(xiàn)的.Wang 等[68]采用了衍生的偽3 端憶阻器突觸實現(xiàn)了觸覺類別感存算一體化功能.憶阻器具有Au/ZnO/Au 的水平結(jié)構(gòu),聚乙烯醇(polyvinyl alcohol,PVA)和氯化鈣(calcium chloride,CaCl2)聚合物離子膠通過旋涂成膜于ZnO 膜上,ZnO/PVA 雜化異質(zhì)結(jié)賦予了器件在電和壓力作用下模擬生物突觸可塑性的能力.在電刺激下,外加電場的施加與撤銷控制著PVA 膜中帶電離子的分離與聚合,從而形成內(nèi)建電場.外加電場與內(nèi)建電場協(xié)同作用下PVA/ZnO層間的電荷耦合效應(yīng)影響著ZnO 溝道中電子的濃度,即器件的電導性,器件成功模擬了電場調(diào)控的生物突觸可塑性.壓力作用于PVA 膜表面時,兩電極上方的薄膜位置與中間位置之間的厚度差逐漸減小,導致PVA 膜不同位置下的介電常數(shù)發(fā)生改變.根據(jù)介電常數(shù)、電壓、距離和電場強度之間的關(guān)系兩電極間的有效電場受壓力影響,受壓力調(diào)控的有效電場進而影響著ZnO 溝道的導電性,器件成功模擬了壓力調(diào)控的生物突觸可塑性.團隊應(yīng)用10 × 10 的憶阻器陣列檢測外加壓力分布后產(chǎn)生觸覺圖像,并將預(yù)處理后信息傳入三層的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行學習訓練.在該項工作中,采用創(chuàng)新結(jié)構(gòu)的器件真正意義地集成了觸覺感知、存儲、處理功能于一體,具有優(yōu)越的多功能性.然而,水平結(jié)構(gòu)的憶阻器可能不利于以后的大規(guī)模立體集成工藝,器件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化依然是一項重要的研究方向.

4.3 嗅覺感存算一體單元

生物嗅覺系統(tǒng)能感知和辨別氣味,這對神經(jīng)內(nèi)分泌調(diào)節(jié)、情緒反應(yīng)、捕食或躲避等方面都至關(guān)重要.人體的嗅覺系統(tǒng)示意圖如圖5(a)所示.受生物嗅覺器官的啟發(fā),科研人員開發(fā)了人造化學傳感器應(yīng)用于食物質(zhì)量鑒別、違禁品或爆炸物檢測、疾病診斷等方面.傳統(tǒng)的化學傳感器在概念和技術(shù)上都面臨著重大的挑戰(zhàn),如信號載體波動、不穩(wěn)定性、靈敏度低、響應(yīng)時間長,以及對生物氣味嗅覺特征了解不深入.與視覺和觸覺感知系統(tǒng)相比,嗅覺感知是一個更為復雜的過程.嗅覺感存算技術(shù)起步較晚,由于信號兼容性、響應(yīng)速度和應(yīng)用范圍等限制,嗅覺感存算一體系統(tǒng)的實現(xiàn)難度較大.

圖5 (a) 生物嗅覺感知系統(tǒng)示意圖;(b) 人工嗅覺推理系統(tǒng)原理圖;(c) W/WO3/PEDOT:PSS/Pt 憶阻器在脈沖下刺激下的電流相應(yīng);(d) 所用憶阻器突觸真實和理想的電導調(diào)制曲線[73];(e) 氣敏憶阻器機理示意圖;(f) SnO2 氣敏憶阻器對不同濃度一氧化氮氣體的電流響應(yīng);(g) 由Ta2O5,HfO2 和SnO2 憶阻器組成的氣體感知陣列[71]Fig.5.(a) Schematic of biological olfactory system;(b) schematic of artificial olfactory inference system;(c) current response of memristor with W/WO3/PEDOT:PSS/Pt structure under pulse stimulus;(d) experimental and ideal conductance modulation curves of the memristive synapse[73];(e) schematic of the gas sensing mechanism;(f) current response of SnO2 based gas-sensing memristor depending on NO gas concentration;(g) schematic diagram of the gas-sensing array consisting of Ta2O5,HfO2,and SnO2-based memristors[71].

受生物嗅覺系統(tǒng)工作機理啟發(fā),Lu 等[75]開發(fā)了由氣體傳感器、柔性振蕩器和人工突觸集成的氣體感知系統(tǒng).在該工作中,NiO 基氣體傳感器實現(xiàn)生物受體功能,當其電阻值在接收到氣體刺激時會發(fā)生改變.柔性振蕩器根據(jù)傳感器阻值編譯產(chǎn)生不同頻率的電壓脈沖信號并輸入基于還原氧化石墨烯和殼聚糖的憶阻器.在連續(xù)電壓脈沖刺激下,憶阻器表現(xiàn)出連續(xù)電導變化的特性,該特性可用于模擬生物突觸可塑性功能,器件機理為殼聚糖提供的質(zhì)子與還原氧化石墨烯納米片中的缺陷和官能團之間相互作用.電壓刺激后憶阻器電導的變化率和斜率作為特征輸入傳送至神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行訓練,訓練后的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可完成識別硫化氫氣體濃度的高級任務(wù).該仿生嗅覺系統(tǒng)雖然實現(xiàn)了對硫化氫氣體濃度的感知識別功能,但單一氣體感知系統(tǒng)應(yīng)用面窄,有較大的局限性,且電路系統(tǒng)占用空間大.2021 年,Wang 及他的團隊[73]開發(fā)了基于憶阻器的人工嗅覺系統(tǒng),可以實現(xiàn)復雜環(huán)境中4 種氣體(乙醇、甲烷、乙烯和一氧化碳)在10 個不同濃度下的識別和推理功能.氣體傳感器陣列感知氣體后輸出電脈沖信號,脈沖序列輸入至由W/WO3/PEDOT:PSS/Pt易失性憶阻器器件組成的儲蓄池計算系統(tǒng)(圖5(b)).憶阻器在脈沖下的電流響應(yīng)特性如圖5(c)所示,在連續(xù)電脈沖刺激下,器件的電導隨著脈沖數(shù)量增加而增加.電導的變化與輸入電脈沖的數(shù)量滿足一定的關(guān)系,即器件的電導可以看作是對電輸入進行處理后的輸出參數(shù).傳統(tǒng)儲蓄池計算系統(tǒng)中大量的非線性函數(shù)節(jié)點可以被該憶阻器替代.基于憶阻器的儲蓄池計算系統(tǒng)處理電脈沖序列的時空信息,提取出高維空間的特征變量,系統(tǒng)輸出不同的電導狀態(tài)對應(yīng)著不同的特征信息.特征信息隨后傳入基于Pd/W/WO3/Pd 非易失憶阻器(電導調(diào)制曲線如圖5(d)所示)搭建的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行訓練學習,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)人工突觸的權(quán)重被調(diào)節(jié)進而進行訓練識別.結(jié)果表明系統(tǒng)具有良好的識別速度,且對復雜氣體種類、濃度的識別率較高.

上述工作的憶阻器僅具有存儲計算能力,沒能原位感知氣體.有一些實驗組應(yīng)用憶阻器完成了氣體感知功能,但受限于響應(yīng)速度和機理,尚未有工作實現(xiàn)相應(yīng)的突觸行為模擬.Kim 實驗組[71]應(yīng)用SnO2,Ta2O5和HfO2薄膜制備了憶阻器基的NO氣體傳感器.在電刺激下,連接頂電極和底電極的氧空位導電細絲會在介質(zhì)層形成,使得原始器件從高阻態(tài)轉(zhuǎn)換成低阻態(tài)(圖5(e)).由于高電負性,注入的NO 氣體分子會從SnO2中捕獲電子并附著于介質(zhì)層表面.隨后,帶電負性的NO 分子與帶正電的氧空位結(jié)合呈中性狀態(tài),導致了導電細絲的斷裂從而使器件的電阻增大.電流的變化程度決定了器件的氣體響應(yīng)范圍和靈敏度.在恢復過程中,他們應(yīng)用電壓刺激可以解吸附在介質(zhì)層表面的NO 分子,直接使器件復位至原始的低電阻狀態(tài).如圖5(f)所示,所制備的基于SnO2憶阻器的傳感器具有快的反應(yīng)/恢復速度(＜1 s/＜90 ns),能夠在低濃度的NO 氣體環(huán)境下正常工作.他們提出了在混合氣體環(huán)境下應(yīng)用傳感陣列來檢測目標氣體的策略(圖5(g)).不同響應(yīng)特性的材料體系相互耦合可實現(xiàn)多功能檢測系統(tǒng),極大地提高了檢測精確度和檢測范圍,該策略可以為氣體傳感技術(shù)提供技術(shù)創(chuàng)新,可用于安全、醫(yī)療和環(huán)境監(jiān)測等多個領(lǐng)域.該工作仍有值得深入研究的方面,如憶阻器如何能恢復到同樣的電流狀態(tài),接觸面積如何影響性能,導電細絲的狀態(tài)如何影響電流變化的程度等.

目前人工嗅覺感覺系統(tǒng)的工作相對簡單,處于初步階段,氣體種類差距小、感知周期長、精度低等問題都需要更深入的研究來解決.

4.4 聽覺感存算一體單元

聲音定位和識別是生物聽覺系統(tǒng)中非常重要的功能.傳播的聲波以一定的頻率和幅度振動耳膜,物理振動通過聽骨傳遞到耳蝸毛細胞后轉(zhuǎn)換成生物電信號.神經(jīng)系統(tǒng)對聲音信號的組成進行分析,完成聲音的定位和識別.為實現(xiàn)人工聽覺系統(tǒng),聽覺感受器需要在較寬的振動頻率探測范圍內(nèi)具有超高的靈敏度.基于仿生時空信息處理算法,聽覺處理器處理事件驅(qū)動的信息完成對應(yīng)的定位識別功能.具備響應(yīng)輸入聲波頻率和幅度的三大類材料是壓電材料、摩擦電材料和電磁材料,開發(fā)合適材料體系和特定結(jié)構(gòu)的聽覺傳感器和處理器是至關(guān)重要的.目前較少研究工作將憶阻器應(yīng)用于聽覺感存算一體系統(tǒng),現(xiàn)階段人工聽覺系統(tǒng)普遍由基于CMOS 技術(shù)的大規(guī)模集成電路搭建而成,聲波信息的復雜度、時間依賴性、時空編碼等特點使得構(gòu)建聽覺感存算一體單元極富挑戰(zhàn)性.

聲音定位的兩種工作機制包括通過兩耳時差和通過兩耳水平差進行檢測.2018 年,Wang 等[79]通過設(shè)計基于HfO2憶阻器的一個晶體管/一個電阻(1 transistor 1 resistor,1T1R)結(jié)構(gòu)構(gòu)建了人工突觸尖峰神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(spiking neural network,SNN)來進行人腦神經(jīng)形態(tài)的時空信息處理.HfO2憶阻器器件內(nèi)部導電細絲的尺寸可被電壓刺激調(diào)控,器件呈現(xiàn)出的不同的電阻狀態(tài)對應(yīng)著不同的生物突觸權(quán)重.SNN 根據(jù)輸入脈沖時間間隔模擬人腦對聲音位置檢測的功能.輸入端包含兩個突觸前神經(jīng)元,分別模擬人的左耳和右耳,突觸后神經(jīng)元產(chǎn)生內(nèi)部電壓信號,網(wǎng)絡(luò)根據(jù)兩個后神經(jīng)元間電壓信號的差異可準確識別發(fā)聲位置.聲源探測基本功能的實現(xiàn)僅需2 × 2 個憶阻器突觸,這證明了基于時空信息計算的SNN 提高了神經(jīng)形態(tài)硬件電路的能量和信息效率.該系統(tǒng)未完成原位感知聲音的傳感功能,模擬聲音源是直接以電信號的形式輸入系統(tǒng)的,如何搭建傳感、存儲、計算一體化的聽覺系統(tǒng)仍需深入的研究.

4.5 多模調(diào)控感存算一體單元

協(xié)同綜合多感官信息是人類感知系統(tǒng)的基礎(chǔ)功能.人類的大腦可以整合來自包括視覺、聽覺、觸覺、嗅覺等多個感官系統(tǒng)的輸入,這有助于在單模感知信息不足的復雜環(huán)境下更快速、更準確地做出反應(yīng).由于信號本身的隨機性和噪聲,人工感知系統(tǒng)憑借單一的感官信息做決策通常會導致不可避免的不確定性.參考人類的多模感知協(xié)調(diào)作用,人工感知系統(tǒng)可將多個單模信號協(xié)同耦合來實現(xiàn)更加先進智能的認知功能.為了搭建超智能化機器人,人工感覺系統(tǒng)需要具備高級的認知感知和多模態(tài)環(huán)境信息處理能力.科研人員致力于開發(fā)能夠處理多感官耦合信號的多功能感存算一體化系統(tǒng),而多模調(diào)控的憶阻器件為實現(xiàn)該系統(tǒng)提供了潛在可行的策略.

2021 年Wang 等[41]在柔性PDMS 襯底上制備了具有ITO/MXene-ZnO/Al 結(jié)構(gòu)的可多模式調(diào)控的雙極型非易失性憶阻器(圖6(a)).紫外光和環(huán)境濕度兩個外場刺激可同時調(diào)控器件的工作性能.器件開啟電壓隨著入射光強度的增加而減小,且高強度紫外光照射可使器件從高阻態(tài)向低阻態(tài)切換,這歸咎于MXene 具有長時程捕獲光生電子的能力,光敏效應(yīng)誘導氧空位導電細絲的形成(圖6(b)).自組裝的ZnO 納米顆粒增大了異質(zhì)結(jié)構(gòu)在兩電極之間的總接觸面積,這不僅影響了電導率、態(tài)密度等性質(zhì),而且改善了離子吸附和擴散行為.在高濕度環(huán)境下,水分子會通過雙氫鍵吸附在MXene-ZnO異質(zhì)結(jié)上.表面官能團的水解增加了質(zhì)子的濃度,質(zhì)子和氧空位之間的靜電吸引限制氧空位導電絲的生長,破壞了氧空位導電細絲的穩(wěn)定狀態(tài).光輔助氧空位導電絲形成和濕度誘導的氧空位導電細絲斷裂之間存在競爭關(guān)系,調(diào)控著器件的響應(yīng)電流以及電導狀態(tài)(圖6(c)和圖6(d)).憶阻器陣列被應(yīng)用于對圖片進行感知和預(yù)處理,模擬視網(wǎng)膜功能.在相對濕度在0%—20%和40%—60%的情況下,網(wǎng)絡(luò)對圖像的識別準確率分別為75.44%和82.96%,這說明基于該憶阻器陣列的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有適應(yīng)環(huán)境的圖像預(yù)處理功能.此外,該團隊進一步探討了使用基于MXene-ZnO 的憶阻器作為突觸來實現(xiàn)高級處理的感存算一體系統(tǒng)的權(quán)重更新行為,突觸權(quán)重受光、電、濕度調(diào)控.訓練60000 次后神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有高識別準確率(圖6(e)).基于多模態(tài)憶阻器的感存算一體系統(tǒng)具有降低傳統(tǒng)視覺系統(tǒng)電路復雜性的潛力.

圖6 (a)柔性MXene-ZnO 憶阻器示意圖;(b)器件在不同紫外光照強度下的I-V 曲線;(c) MXene-ZnO 憶阻器受光和濕度調(diào)控的電流分布圖;(d) 應(yīng)用光和電脈沖實現(xiàn)突觸LTP 和LTD 行為的模擬;(e) 基于光和濕度調(diào)控的憶阻器突觸搭建的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)示意圖[41];(f) 多模脈沖感知處理系統(tǒng)工作流程圖[81]Fig.6.(a) Schematic structure of the flexible MXene-ZnO-based memristive device;(b) I-V curves of device under UV irradiance with different intensities;(c) current profile of MXene-ZnO memristor regulated by light and humidity;(d) simulation of synaptic LTP and LTD behaviors by UV light and electrical pulses;(e) schematic of neural network based on MXene-ZnO-based memristive synapses[41];(f) operational diagram of the multimode spiking perception and processing system[81].

2021 年,Tan 等[64]在觸覺感存算一體化系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上提出一種人工多模尖峰神經(jīng)系統(tǒng),該系統(tǒng)對5 種人工感官(視覺、觸覺、嗅覺、聽覺、味覺)進行多模態(tài)感知.多個種類的傳感器被應(yīng)用于感知,感知信息被編碼為光脈沖序列.光敏憶阻器陣列在硬件層面上對感知信息進行解釋、過濾、集成和記憶,其原位記憶和信息過濾特性有助于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學習和訓練,如圖6(f)所示.通過交叉模態(tài)學習系統(tǒng)實現(xiàn)機器人識別和想象功能.在這項工作中,光尖峰序列作為數(shù)據(jù)載體,單個光電憶阻器可以同時處理多種感知信息,這為多模調(diào)控感存算一體化提供了新的思路.然而在該系統(tǒng)中,嗅覺和味覺的模擬并未真正從現(xiàn)實環(huán)境中感知信息,而是使用電脈沖模擬刺激,這與人類多模感知系統(tǒng)還存在一定差距,要解決這一問題,需要在進一步探究人類感知機制的基礎(chǔ)上來改進感知系統(tǒng).應(yīng)用于感存算一體化系統(tǒng)的憶阻器的性能對比如表1 所列.

表1 應(yīng)用于感存算一體化系統(tǒng)的憶阻器的性能比較Table 1.Performance comparison of memristors applied to in-sensor computing systems.

5 結(jié)論與展望

隨著人們對生物傳感過程認識的加深和神經(jīng)形態(tài)憶阻器件的發(fā)展,神經(jīng)形態(tài)憶阻器件在感存算領(lǐng)域的應(yīng)用也隨之應(yīng)運而生.感存算一體架構(gòu)的發(fā)展還處于初始階段,還有許多分支領(lǐng)域有待開拓.目前的研究處理數(shù)據(jù)量級較低、工作任務(wù)較為簡單,器件僅具有簡單的感知存儲性能,或感知存儲一體化加簡單處理的性能,尚未形成真正意義的感存算一體化.此外,除了常見的感官感知器件的研究,一些研究組研究將憶阻器用于液體中羥基離子濃度檢測[83]、重金屬檢測[84]、伽馬射線檢測[85]、溫度探測[86]等,但研究還僅限于感知領(lǐng)域,相應(yīng)的原位存儲處理功能仍需深入開發(fā),目前仍存在一系列科學技術(shù)難題亟待解決.要搭建感存算一體化技術(shù)平臺,材料、器件、工藝與集成、電路系統(tǒng)架構(gòu)和算法等不同方面都存在瓶頸,從工程方面來說,目前最大的挑戰(zhàn)主要在于器件層面.傳統(tǒng)憶阻器的性能問題依然是阻礙其商業(yè)用途的主要因素,如器件的均一性、穩(wěn)定性、耐受性等.憶阻器簡單的結(jié)構(gòu)是其作為新型存儲器的一大優(yōu)勢,要在滿足簡單器件結(jié)構(gòu)的前提下實現(xiàn)復雜的感存算一體功能,即如何權(quán)衡器件結(jié)構(gòu)復雜性和多功能性是非常有挑戰(zhàn)性的,這需要科學家們更深入地探究生物單元的潛在機理后設(shè)計器件結(jié)構(gòu),進而確定合適的工作機理來模擬生物功能性.目前所報道的器件在性能和技術(shù)成熟度等方面存在較大差異,這增加了選擇、優(yōu)化和迭代的難度.科研人員需要對器件的傳感、存儲和處理性能進行取舍,如為了提高感存算一體化器件傳感的響應(yīng)速度,其數(shù)據(jù)保持性能相比傳統(tǒng)存儲器會有所下降.此外,一些感存算器件對不同傳感刺激源都有所響應(yīng),這影響了器件對特定感官信息的選擇性.在器件性能評估方法方面也存在一定的困難,傳統(tǒng)的傳感器/存儲器需要在輸入刺激下進行長達數(shù)萬個周期操作來評估其耐受性,然而當涉及感存算一體單元時,將器件暴露于外部刺激后執(zhí)行大量的循環(huán)周期的測試方案就變得具有挑戰(zhàn)性.本文從器件、工藝與集成、電路系統(tǒng)架構(gòu)和算法4 個方面進行思考和展望.

器件層級:感存算一體化系統(tǒng)要求基本單元具有原位感知、存儲與處理的功能.傳統(tǒng)的傳感、存儲和計算單元是基于不同的材料組合、器件結(jié)構(gòu)、異構(gòu)集成技術(shù)來組合的,要將3 個功能集成于單個器件必須要從材料及器件的角度出發(fā)進行設(shè)計.目前可用于不同感知源(化學物質(zhì)、輻射、溫度、壓力)的材料依然非常有限,設(shè)計合適的材料體系是構(gòu)建感存算基本單元的前提.傳統(tǒng)的傳感器的評估參數(shù)有響應(yīng)范圍、分辨率、靈敏度、選擇比、操作速度/響應(yīng)時間等,而傳統(tǒng)的存儲設(shè)備的評估參數(shù)有操作電壓、保留特性和耐受性等.以綜合的參數(shù)來評估感存算基本單元,設(shè)計人員改進器件時需要從各方面進行權(quán)衡取舍,如何兼顧傳感、存儲和計算性能是一項重大的挑戰(zhàn).目前的感存算一體器件的研究工作大多是集中在單模感官系統(tǒng)模擬(如觸覺、視覺、嗅覺)和簡單處理,處理能力有限.但實際生物感知記憶系統(tǒng)處于更為復雜的環(huán)境,極小的感受單元可以同時多模式感官并進行信息處理使

生物對外部事件做出準確反應(yīng),依靠多個感官通道的系統(tǒng)會更可靠.一方面,人工感存算一體系統(tǒng)的性能遠不如人類,結(jié)合多種感官刺激有利于提高整體的敏感度和準確性.另一方面,單一的感知輸入信息會帶來很高的不確定性,在實際應(yīng)用中容易導致重大誤判.實現(xiàn)多模式感知融合和多元化處理功能的器件體系是未來感存算系統(tǒng)的發(fā)展方向.在功耗和器件尺寸方面,人工感存算系統(tǒng)與生物感官系統(tǒng)之間存在著巨大的差距.這些挑戰(zhàn)需要科研人員對生物傳感過程加深認識獲取靈感、對神經(jīng)形態(tài)憶阻器件機理深入研究、發(fā)展新型納米電子制造技術(shù)來解決.進一步研究感存算器件的工作機理,也將促進器件的成品率、均一性以及可靠性的提高.

工藝與集成:對于需要集成的感知與計算系統(tǒng),目前許多研究只是基于規(guī)模較小的分立式器件單元陣列的簡單互連,沒有發(fā)揮集成陣列高效并行運算的優(yōu)勢.集成方法包括三維單片集成、平面SoC 集成、三維異構(gòu)集成、2.5D 異構(gòu)集成等.不論是上述哪種集成方式,都涉及多個功能層級/芯片以及不同材料的整合,即系統(tǒng)構(gòu)建需要考慮各層級的工藝兼容性,這給集成工藝條件帶來了挑戰(zhàn).一些成膜過程(如外延生長)需要高溫工藝,為了避免其對系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性造成影響,開發(fā)基于低溫工藝的感存算一體化系統(tǒng)是非常有必要的.如在三維堆疊芯片中,熱膨脹系數(shù)不匹配導致的高內(nèi)建應(yīng)力會引起可靠性問題.超薄低維半導體低溫下可以轉(zhuǎn)移到任意襯底上,但考慮到大規(guī)模和高質(zhì)量的材料增長以及加工兼容性,集成工藝仍然是一個挑戰(zhàn).就集成技術(shù)而言,可靠性是一個亟需解決的問題.如在三維集成技術(shù)中,傳感器和處理單元距離很近,系統(tǒng)工作時所產(chǎn)生的熱量會導致熱噪聲和降低識別精度,這限制了系統(tǒng)性能和能源效率的提高.發(fā)展可靠的集成技術(shù)是未來大規(guī)模集成感存算一體運算系統(tǒng)的關(guān)鍵研究方向.

算法層級:在人類多感知系統(tǒng)中,感知單元將環(huán)境信息轉(zhuǎn)化為電位變化,并將電位變化編碼為脈沖序列,脈沖序列在大腦皮層解碼進行進一步信息處理.對比幅值編解碼形式,脈沖序列編碼形式可使系統(tǒng)更加靈活地處理時空感官信息,這需要科研人員開發(fā)出相應(yīng)的脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓練學習算法.設(shè)計多種感官信息耦合處理方式是搭建多模式感存算一體化系統(tǒng)的重要一環(huán),對生物傳感系統(tǒng)機制認識不足也是限制仿生處理算法開發(fā)的主要瓶頸.

電路系統(tǒng)架構(gòu):算法需要配合對應(yīng)的硬件電路部署才能實現(xiàn).感存算一體器件對原始信息預(yù)處理后還需配合系統(tǒng)級架構(gòu)完成更為高階的任務(wù).針對不同的應(yīng)用場景,電路架構(gòu)需要作相應(yīng)的調(diào)控.如嗅覺傳感器通常對濕度和溫度都很敏感,系統(tǒng)需要額外的信號管理子電路以保證靈敏度和準確性.目前感存算電路系統(tǒng)的開發(fā)基本都是針對特定場景,這限制了系統(tǒng)的可移植性和可擴展性,未來需要深入研究如何構(gòu)建適用多場景的通用性和可重構(gòu)性強的硬件平臺.

感存算一體化系統(tǒng)是一個涉及多個學科的研究領(lǐng)域,涵蓋材料、化學、生物、機械學、電子學等,近年來已經(jīng)成為一個重要的戰(zhàn)略研究領(lǐng)域,感存算一體系統(tǒng)有可能成為一個顛覆性的技術(shù)平臺.憶阻器突觸在感存算一體系統(tǒng)中有著巨大的應(yīng)用潛力.本綜述從器件單元層級回顧了當前應(yīng)用于感存算一體化系統(tǒng)的憶阻器突觸的研究,討論了該領(lǐng)域的主要研究和進展,同時也提出了目前的一些挑戰(zhàn)以及對未來的展望.未來研究人員需要從材料、器件、算法、電路系統(tǒng)等多個層面協(xié)同創(chuàng)新,開發(fā)高能效的新型感存算一體化系統(tǒng).