華中科技大學(xué)集成電路學(xué)院葉鐳繆向水團隊在非線性全光神經(jīng)計算硬件領(lǐng)域取得新成果
導(dǎo)讀：二維材料具有多樣且可調(diào)的非線性光學(xué)效應(yīng)，基于其非線性效應(yīng)的全光計算機制具有高速、高并性度、高能效的本征優(yōu)勢，能夠支撐數(shù)據(jù)密集型人工智能計算硬件的高效開發(fā)。
近日，Nature Communications 在線刊發(fā)了華中科技大學(xué)集成電路學(xué)院葉鐳教授、繆向水教授關(guān)于二維材料非線性效應(yīng)全光神經(jīng)計算硬件的最新研究成果“Programmable nonlinear optical neuromorphic computing with bare 2D material MoS2”?？娤蛩?、葉鐳、武漢光電國家研究中心王平教授和美國倫斯勒理工學(xué)院包瑋教授為通訊作者，香港中文大學(xué)童磊博士、我校集成電路學(xué)院王逸倫博士、合肥工業(yè)大學(xué)畢亞麗博士為共同第一作者。我校集成電路學(xué)院為論文第一完成單位。該工作得到香港中文大學(xué)許建斌教授、美國賓夕法尼亞大學(xué)Deep Jariwala教授的大力支持，受到國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃、湖北省重點研發(fā)計劃和香港研究資助局等項目的資助。 
二維材料具有多樣且可調(diào)的非線性光學(xué)效應(yīng)，基于其非線性效應(yīng)的全光計算機制具有高速、高并性度、高能效的本征優(yōu)勢，能夠支撐數(shù)據(jù)密集型人工智能計算硬件的高效開發(fā)。目前主要的硬件方案包括：片上光學(xué)結(jié)構(gòu)硬件，保留全光計算的本征性能，但是動態(tài)可調(diào)性受限，難以高密度集成；光電耦合調(diào)控硬件，支持高效可調(diào)性和高密度器件集成，但是大幅降低處理速度且引入額外功耗。華中科技大學(xué)團隊的這一研究從材料能帶結(jié)構(gòu)出發(fā)，設(shè)計全新的全光激發(fā)方案，使電子的非線性弛豫過程和信號調(diào)控需求匹配，進(jìn)而開發(fā)純二維MoS2陣列的全光計算硬件，實現(xiàn)非線性信號的增強和多維度動態(tài)調(diào)控。該硬件保留光計算的本征優(yōu)勢，規(guī)避復(fù)雜硬件設(shè)計，解決計算性能和功能調(diào)控的矛盾。
硬件設(shè)計和理論基礎(chǔ)
多層MoS2材料的非線性效應(yīng)涉及到布里淵區(qū)K谷處的雙光子吸收以及Γ點處高能嵌套導(dǎo)帶中的協(xié)同激發(fā)態(tài)吸收。通過設(shè)計全新的泵浦-探測-控制飛秒脈沖激發(fā)方案，其中控制光脈沖使非線性效應(yīng)從雙光子吸收轉(zhuǎn)換至協(xié)同激發(fā)態(tài)吸收，實現(xiàn)非線性信號的增強，信噪比大于16dB；非線性信號可以由三種光脈沖獨立調(diào)制，信號強度和功率成線性關(guān)系；三能級激發(fā)躍遷使信號弛豫壽命延長；高能嵌套導(dǎo)帶內(nèi)高電子態(tài)密度分布增強庫倫屏蔽效應(yīng)，使信號的厚度依賴性明顯增強。因此，可以通過控制光的開關(guān)狀態(tài)、激發(fā)功率、脈沖延遲時間、材料厚度等四個維度進(jìn)行光信號的動態(tài)調(diào)控和多種功能設(shè)計。
硬件調(diào)控方案
由于上述全光計算機制僅依賴材料的本征物理特性，華中科技大學(xué)團隊首次直接利用純MoS2材料構(gòu)建高集成密度的全光計算陣列，無需復(fù)雜的光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計，無需引入電信號耦合調(diào)控。以脈沖延遲時間編碼陣列單元的權(quán)重，以激發(fā)功率編碼輸入信號，實現(xiàn)全光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算，陣列單元的計算速度達(dá)到5.6ps，計算功耗為~5.12−9.12pJ。精準(zhǔn)選擇計算單元的材料厚度，將激發(fā)功率編碼為二進(jìn)制輸入信號，實現(xiàn)全光與門、或門、與非門、或非門和數(shù)模轉(zhuǎn)換器等邏輯計算器件。相關(guān)工作為非線性全光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)硬件的開發(fā)提供了全新的解決思路。
硬件功能實現(xiàn)
繆向水團隊長期從事三維相變存儲器、憶阻器、類腦智能計算與邏輯運算等信息存儲材料及器件方向的研究。2018年出版了國內(nèi)第一本憶阻器專著《憶阻器導(dǎo)論》；2019年團隊將93項三維相變存儲器芯片專利許可給國內(nèi)存儲器龍頭并合作開發(fā)產(chǎn)品，并與行業(yè)龍頭企業(yè)合作建立了聯(lián)合實驗室，推動存儲器芯片技術(shù)成果轉(zhuǎn)化和未來引領(lǐng)技術(shù)探索。
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