近期，南京师范大学甘志星及合作者团队提出了一种基于CsPbBr3量子点/溶剂层/氮化碳多层结构的自供电光子突触新架构。由于非对称器件结构，该光子突触的光电流极性在光照方向变化时发生翻转，利用这一辐射方向依赖的光电流极性，该光子突触创新性地实现了同波长光源下的光写入/光擦除功能。相关成果以“Self-Powered Photonic Synapses with Rapid Optical Erasing Ability for Neuromorphic Visual Perception”为题发表在Research上。
Citation: Mingchao Li, Chen Li, Kang Ye, Yunzhe Xu, Weichen Song, Cihui Liu, Fangjian Xing, Guiyuan Cao, Shibiao Wei, Zhihui Chen, Yunsong Di, Zhixing Gan, Self-Powered Photonic Synapseswith Rapid Optical Erasing Ability for Neuromorphic Visual Perception, Research, 2024, 7, 0526.
研究背景
随着大规模数据处理需求的快速增长，传统的冯·诺依曼架构因其复杂的层次结构而面临效率瓶颈和性能上限，尤其在处理复杂任务时，其局限性愈加明显。与此相比，神经形态计算通过并行处理和分布式存储，更加贴近人脑的工作原理。通过模拟神经元之间的连接与信号传递，神经形态计算不仅能够实现学习、记忆和感知等智能行为，还能有效突破数据传输瓶颈。其高度并行性和集成性使其在处理海量数据时具有显著优势，展现了在人工智能仿真领域的巨大潜力。光子突触是一种受生物视觉系统启发的技术，具备感知、处理和存储视觉信息的能力，为高性能神经形态视觉传感器的研发提供了广阔的前景。
然而，受限于器件结构以及光电导可塑性和光电流存储机制上的设计，目前广泛开发的光子突触器件通常缺乏快速擦除功能。这一限制使得器件在模拟神经突触的灵活性方面存在不足，无法有效应对信息的删除和更新需求，从而影响其在神经形态计算中的应用效果。此外，较高的能量消耗也是亟待解决的挑战。
研究进展
本研究提出了一种基于CsPbBr3量子点/溶剂层/氮化碳（CN）多层结构的自供电光子突触新架构（图1）。该光子突触通过光调制充放电机制展现出显著的电流存储效应，可以在紫外至可见光波段下模拟多种突触行为（图2），包括兴奋性突触后电流（EPSC）、成对脉冲促进（PPF）、短期可塑性（STM）和长期可塑性（LTM）。在平面内，两个材料之间的有机溶剂层起着类似于储能电池中电解质的作用，延缓光生电子和空穴的直接复合。此外，分布在溶剂中的Br-离子也会捕获并存储界面处的光生空穴。这两种效应共同促使器件对突触行为的模拟。
图1 受生物启发的光子突触
擦除功能在光子突触中的作用至关重要，尤其是在模拟神经突触的可逆性和灵活性方面。该器件在低反向偏置电压（110 mV）下实现了光写入/电擦除功能（图2b）。但是这种依赖电压驱动来实现信息擦除的方法会带来功耗过高的问题。
图2 光子突触的突触可塑性
凭借非对称器件结构，光子突触的光电流极性在光照方向变化时发生反转，表现出明显的方向依赖性。利用这一辐射方向相关的光电流，光子突触创新性地实现了同波长光源下的光写入/光擦除功能（图3）。无论光照射在CsPbBr3还是CN上，非易失性电流都可以通过另一侧的光脉冲照射快速擦除，并恢复到初始状态。随着擦除光强度的增加，擦除时间（terase）逐渐缩短，当光强达到26.8 mW/cm²时，擦除时间小于2秒。
图3 光子突触的光擦除能力
光电转换与易失性存储的结合，使光子突触具备出色的光学信息感知与存储能力，可以在硬件层面实现图像预处理功能（图4）。利用N型掩模对突触阵列进行图案化照明的光电流分布呈现明显的字母N形状。虽然存在部分噪声像素影响图案观感，但这些噪声在短暂延迟后通过EPSC衰减得到缓解，图案对比度显著增强，表明光子突触具备强大的降噪和对比度增强能力。在MNIST手写图像数据集的数字识别任务中，将预处理后的数字图像输入到简单的 ANN 中，约60次训练即可实现80%的识别率，而未经预处理的图像在200次训练后识别率仅为11.4%，表明光子突触在对比度增强和降噪方面具有强大的能力。
图4光子突触的图像预处理功能。
此外，光子突触还可以模仿视觉神经元，无需ANN的协助即可进行识别任务。为验证这一功能，该研究设计了包含112×92突触阵列的神经形态视觉传感器（NVS），模拟人类人脸识别（图5）。使用AT&T剑桥实验室的人脸数据库进行训练，输入9张不同面部方向、表情的女性面部灰度图像，训练NVS提取特征。每个突触单元与图像像素对应，通过脉冲强度生成记忆电流，训练过程中增强面部特征存储能力。测试时，NVS通过决策阈值激活单元，当输入目标人脸图像时，约90%的单元被激活；加噪声测试时，激活率仍达到85%，而非目标人脸图像测试时激活率为60%。此外，NVS能有效提取不同朝向和表情的人脸特征。这些结果表明，基于光子突触的NVS具备优异的特征提取能力。
图5 基于光子突触的人工视网膜用于人脸识别
未来展望
本研究提出的CsPbBr3量子点/溶剂/氮化碳新型光子突触架构展现了新颖的光写入/光擦除功能、优异的突触可塑性和低功耗图像预处理能力。该器件不仅能模拟多种突触行为，还能显著提高图像识别精度，尤其在手写数字和面部识别任务中表现出色。其独特的擦除功能有效降低了能耗，突破了传统神经形态计算中的能量消耗瓶颈，为低功耗视觉传感器提供了新的解决方案。随着器件性能的不断优化，光子突触有望在智能感知和图像处理领域得到广泛应用，推动人工智能硬件的发展。其在智能视觉、增强现实和自动驾驶等领域具有巨大潜力，能够为实时图像分析和低功耗视觉系统提供创新的技术路径，具有广泛的应用前景和转化价值。