近日，南边科技年夜学微电子学院周菲迟团队于超自顺应神经形态视觉器件和通用智能视觉体系研究中取患上主要进展。该研究经由过程精准调控电子、氧离子与空位的界面/体相动力学，初次提出一种超自顺应类脑视觉器件（UANV, Ultra-Adaptive Neuromorphic Vision Device），于单一器件内集成类视网膜与类视皮层的四种高阶动态特征，并构建超高矫捷度的首个全同质人工通用视觉智能（Artificial General Vision Intelligence, AGVI）体系原型，为构建高效、自顺应的AGVI体系提供了全新解决方案。相干研究结果“High-Order Dynamics in An Ultra-Adaptive Neuromorphic Vision Device”发表在Nature Nanotechnology。

天然界中视觉事务具备多动态性及不成猜测性，这对于传统呆板视觉体系提出了巨年夜挑战。人工通用视觉智能AGVI作为一种新兴范式，致力在于同一硬件体系中复现生物视觉体系的全频谱动态特征以实现卓着的能效及顺应性，夸大同时仿生视网膜与皮层神经元的多模态旌旗灯号——既包罗“全或者无”的脉激动作电位，也包罗与刺激成比例的渐变电位，且应能于光学与电学两个维度下事情。而当前开始进的AGVI实现方案依靠在CMOS电路或者多个新兴神经形态元件的异质集成，但这致使体系体积重大且顺应性及能效受限。特别要害的是，尚无单一电子器件可于同体内同时整合“类视网膜＋类视皮层”的脉冲与渐变更态，并跨光/电双域可控，仍需依靠多器件集成，这成为迈向高效AGVI的焦点瓶颈。

针对于上述挑战，研究团队于单一UANV器件中同时实现了类视网膜光脉冲神经元（Retinal Spiking Neuron, RSN）、类视网膜光分级神经元（Retinal Graded Neuron, RGN）、类皮层突触（Cortical Synapse, CS）及类皮层神经元（Cortical Neuron, CN）等四种高阶动力学举动（图1），并揭示超低功耗。这类富厚且可调控的高阶动力学特征源在怪异的能带布局，以和于光/电刺激下体相或者界面处电荷载流子（电子、氧离子及空位）的协同调控。该UANV单器件高度集成为了传统CMOS实现方案中需60余个分立器件才能完成的全数功效，特别于图象尺寸增年夜时显著削减所需器件数目，将传统的异质体系改变为彻底同质化的紧凑体系，显著降低功耗和晋升面积效率。同时团队经由过程采用进步前辈的原位扫描透射电子显微镜（STEM）表征技能与计较机辅助设计（TCAD）仿真要领，初次深切展现了UANV器件的高阶动力学特征和其事情机制，为感存算一体化神经形态视觉器件设计提供了理论引导。

图1：超自顺应神经形态视觉器件（UANV）与全同质通用智能视觉体系（AGVI）体系

于0 V偏置下，器件揭示无偏置、无外部电容、紫外-红外宽谱的LIF（走漏积分发放）光脉冲神经元举动，可将持续光直接编码为电流尖峰，揭示出基在光强及照射时间的阈值脉冲发放特征（图2）。比拟传统方案或者当前多新兴器件集成方案，这一模式揭示出了优秀的集成度、宽光谱相应和低至0 J的电学功耗，也是初次于单个器件中实现光脉冲神经元举动。机理上，因为IxTyO1-x-y/CuOₓ界面怪异的“倒三角势阱＋界面陷阱”设计，光生电子一部门形成基线电流，另外一部门注入陷阱并经Fowler–Nordheim隧穿触发尖峰。此外团队采用Sentaurus技能计较机辅助设计（TCAD）仿真平台，基在器件事情机制，对于光致LIF举动历程举行了完备建模，仿真成果与试验成果高度吻合。

图2：类视网膜光脉冲神经元（RSN）动力学举动

于−0.04–−0.1 V偏置下，器件切换至类视网膜光分级神经元特征，对于光脉冲个数/强度/波长呈非线性短时间时间动力学（图3）。机理源在CuOx层中电子的俘获/去俘获历程。团队经由过程光电原位扫描透射电子显微镜（light-incorporated in situ STEM）技能进一步证实了这一机制，时间分辩电子能量丧失谱（EELS-STEM）显示光照后氧元素空间漫衍险些稳定，而Cu-L₃边发生约0.22 eV左移，光关断后迟缓回移，证实了器件内部的光致电子俘获/去俘获历程。

图3：类视网膜非脉冲神经元（RGN）动力学举动

于0.1–0.5 V小电压下，器件切换至类皮层突触模式，出现出模仿型、非易掉性的电阻开关特征，以和持久加强/按捺举动（图4）。该动力学举动下的相应速率快至60 ns，阻态连结可长达10年。原位EELS–STEM注解小正脉冲（如0.1 V）重要诱发接近IxTyO1-x-y一侧的O²⁻迁徙，顶层区域O K-edge预峰削弱、Cu-L₃稍微左移，体现为氧化态降低；施加负脉冲后上述谱学特性可逆恢复。机理上，小电压仅于CuOx层中接近IxTyO1-x-y/CuOx界面处触发O²⁻外迁并于CuOₓ中形成VO∙∙，孕育发生“净掺杂效应”降低界面势垒，从而于LRS/HRS间可逆调制。

图4：类皮层突触（CS）动力学举动

于1.3–2 V偏置下，器件切换至类皮层神经元动力学模式，揭示出持续电脉冲驱动的走漏积分发放（LIF）举动（图5）。CN动力学特征源在两重机制协同作用，包括可挪动O²⁻离子于CuOx层迁徙致使的势垒高度调制，以和电子俘获动力学历程。团队进一步经由过程EELS-STEM试验直接证实了年夜电压下CuOx层电子捕捉/去捕捉与氧离子迁徙协同调控机制。

图5：类皮层神经元（CN）动力学举动

基在该器件各事情模式下的高度集成动力学特征及超低功耗特征，团队进一步构建了基在全同质UANV器件阵列的“超自顺应性”的硬件体系与原型平台（图6）。该体系可按照差别场景需求，矫捷动态分配UANV阵列中动力学模式，于同一硬件平台上实现多场景自顺应处置惩罚，同时撑持异步事务驱动及同步帧驱动等多种事情范式，可以或许自顺应满意动态场景与静态图象处置惩罚等多样化认知成像需求。于实现多功效处置惩罚的同时，能效比高达67.89 TOPS/W，面积效率到达3.96 MOPS/F。经由过程将这类具有多模态高阶动态特征的器件集成到高度紧凑高效的AGVI体系中，这一事情为呆板视觉斥地了媲美生物视觉的无穷可能。

图6：全同质AGVI体系原型

本研究由南边科技年夜学结合中国香港理工年夜学蔡嵩骅传授团队、北京犀灵视觉科技有限公司等单元配合完成，南边科技年夜学为论文第一单元及通信单元。南边科技年夜学周菲迟课题组研究生徐嘉逸、江碧怡为第一作者。该研究获国度重点研发规划、国度天然科学基金、合肥科微电子有限公司和中国香港研资局的撑持。