In herkömmlichen Bildverarbeitungssystemen werden die optischen Informationen von einer rahmenbasierten Digitalkamera erfasst und das digitale Signal anschließend mithilfe von maschinellen Lernalgorithmen verarbeitet. In diesem Szenario muss eine große Datenmenge (meist redundant) von eigenständigen Sensorelementen zu den Verarbeitungseinheiten übertragen werden, was zu hoher Latenz und hohem Stromverbrauch führt.
Um dieses Problem anzugehen, wurde viel Mühe darauf verwendet, einen effizienten Ansatz zu entwickeln, bei dem einige der Speicher- und Rechenaufgaben auf Sensorelemente ausgelagert werden, die das optische Signal gleichzeitig wahrnehmen und verarbeiten können.
In einem neuen Artikel, erschienen in Licht: Wissenschaft & Anwendungenein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Professor Weida Hu von der School of Physics and Optoelectronic Engineering, Hangzhou Institute for Advanced Study, University of Chinese Academy of Sciences, Hangzhou, China, State Key Laboratory of Infrared Physics, Shanghai Institute of Technical Physics, Chinesisch Academy of Sciences, Shanghai, China, und Mitarbeiter haben einen nichtflüchtigen Foto-Memristor entwickelt, bei dem die rekonfigurierbare Empfindlichkeit durch die Ladung und/oder den Photonenfluss durch ihn moduliert und weiter im Gerät gespeichert werden kann.
Der nichtflüchtige Foto-Memristor hat eine einfache Architektur mit zwei Anschlüssen, in der durch Licht angeregte Ladungsträger und sauerstoffbezogene Ionen gekoppelt sind, was zu einer verschobenen und eingeschnürten Hysterese in den Strom-Spannungs-Kennlinien führt. Zum ersten Mal implementieren nichtflüchtige Foto-Memristoren eine rechnerisch vollständige Logik mit zustandsbehafteten Operationen mit Fotoantwort, für die derselbe Foto-Memristor sowohl als Logikgatter als auch als Speicher dient, wobei die Fotoantwort als physikalische Zustandsvariable anstelle von Licht, Spannung und verwendet wird Speicherwiderstand.
Die Polaritätsumkehr von Foto-Memristoren zeigt ein großes Potenzial für In-Memory-Sensorik und -Computing mit Merkmalsextraktion und Bilderkennung für neuromorphes Sehen.
Der Foto-Memristor zeigt einen abstimmbaren Kurzschlussstrom in einem nichtflüchtigen Modus unter Beleuchtung. Durch die Nachahmung der biologischen Funktionalitäten der menschlichen Netzhaut und die Gestaltung spezifischer Gerätestrukturen können die Geräte als neuronale Netzwerke für die neuromorphe visuelle Verarbeitung und Implementierung von vollständig photoresponse-stateful logischen Operationen fungieren, die durch elektrische und Lichtreize zusammen ausgelöst werden. Es kann verschiedene Arten von Sensoraufgaben mit All-in-One-Sensor-Speicher-Computing-Ansätzen unterstützen. Diese Wissenschaftler fassen das Funktionsprinzip und die Merkmale ihres Geräts zusammen:
„Wir entwerfen ein Gerät mit zwei Anschlüssen mit MoS2-xOx und spezifischem Graphen für drei Zwecke in einem: (1) um eine niedrige Barrierenenergie für die Migration von Sauerstoffionen bereitzustellen; (2) um als geometrieasymmetrisches Metall-Halbleiter-Metall zu fungieren Van-der-Waals-Heterostrukturen mit Multi-Photoresponse-Zuständen; und (3) als Erweiterung eines Memristors bietet dieses Gerät nicht nur eine abstimmbare Leitfähigkeit, sondern zeigt auch eine rekonfigurierbare Photoresponse zum Lesen bei einer Vorspannung von Null“, erklären die Autoren.
„Darüber hinaus können der abstimmbare Kurzschluss-Fotostrom und die Fotoantwort auf 889,8 nA bzw. 98,8 mA/W erhöht werden, was viel höher ist als bei anderen rekonfigurierbaren Fototransistoren auf Basis von 2D-Materialien. Um die Kanalpolarität umzukehren und eine Gate- abstimmbarer Kurzschluss-Photostrom, der Kanalhalbleiter muss dünn genug sein.Daher ist es schwierig, den dicken Film zu verwenden, der benötigt wird,um genug Licht zu absorbieren, um ein großes Signal zu erhalten.In unserem Fall basiert der Mechanismus auf der Zweipol-Bauelement-Umordnung auf Ionenmigration, die nicht durch die Dicke begrenzt ist. Wir können die Dicke des Films erhöhen, um mehr Photonen zu absorbieren und einen großen Kurzschluss-Photostrom zu erhalten“, fügten sie hinzu.
„Dieses neue Konzept eines Foto-Memristors mit zwei Anschlüssen ermöglicht nicht nur All-in-One-Ansätze für Sensor-Speicher-Computing für neuromorphe Sehhardware, sondern bringt auch großen Komfort für die Integration mit hoher Dichte“, sagen die Wissenschaftler.
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Xiao Fu et al, Graphen/MoS2−xOx/Graphen-Photomemristor mit abstimmbarer nichtflüchtiger Reaktionsfähigkeit für neuromorphe Bildverarbeitung, Licht: Wissenschaft & Anwendungen (2023). DOI: 10.1038/s41377-023-01079-5