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下一代AI的创纪录低能耗的人工视觉系统

由香港城市大学(CityU)领导的一项联合研究建立了一个超低功耗的人工视觉系统来模仿人的大脑,该系统成功执行了数据密集型认知任务。他们的实验结果可以为下一代人工智能(AI)应用提供有希望的设备系统。

研究小组由城大材料科学与工程学系副主任兼教授何国贤教授领导。他们的发现发表在科学杂志《科学进展》上,标题为“由氧化物超晶格纳米线中的准二维电子气激活的人工视觉系统”。

随着用于数字计算的半导体技术的进步显示出停滞的迹象,神经形态(类脑)计算系统已被视为一种选择。科学家们一直在尝试开发下一代先进的AI计算机,该计算机可以像人脑一样轻巧,节能,适应性强。

何教授说:“不幸的是,在现有的人工突触中,以超低功率的方式有效地模拟大脑的神经可塑性-改变其神经网络连接或重新连接自身的能力,仍具有挑战性。

提高人工突触的能效

人工突触模仿生物突触,两个神经元之间通过间隙传递电信号以在大脑中相互通信。人工突触模仿大脑有效的神经信号传输和记忆形成过程。

为了提高人工突触的能量效率,何教授的研究团队首次将准二维电子气(准2DEG)引入了人工神经形态系统。研究人员开发了氧化物超晶格纳米线(一种具有吸引人的电性能的半导体),并设计了准2DEG光子突触设备,实现了创纪录的低能量消耗,每次突触事件可达到亚飞焦耳(0.7fJ)。与人脑中的突触相比,这意味着能耗降低了93%。

“我们的实验已经证明,基于我们的光子突触的人工视觉系统可以以超低功率的方式同时执行光检测,类似于大脑的处理和记忆功能。我们相信我们的发现可以为建立人工神经形态系统提供有希望的策略。未来在仿生设备,电子眼和多功能机器人中的应用。”何教授说。

类似于突触中的电导变化

他解释说,当电子被限制在两种材料之间的二维界面时,就会产生二维电子气。由于没有电子-电子相互作用和电子-离子相互作用,因此电子在界面中自由移动。

在暴露于光脉冲时,在环境中吸收到纳米线表面的氧分子与氧化物超晶格纳米线内部的二维电子气中的自由电子之间引发了一系列反应。因此,光子突触的电导将改变。鉴于超晶格纳米线具有出色的电荷载流子迁移率和对光刺激的敏感性,光子突触中电导的变化类似于生物突触中的电导。准2DEG光子突触因此可以模拟人脑中的神经元如何传输和记忆信号。

光电检测和存储功能的组合

“超晶格纳米线材料的特殊性能使我们的突触同时具有光电检测和记忆功能。纳米线超晶格核心可以高灵敏度地检测光刺激,而纳米线壳则可以促进记忆功能。因此没有需要在摄像芯片中构建额外的存储模块用于电荷存储。因此,我们的设备可以节省能源。”何教授解释说。

利用这种准2DEG光子突触,他们建立了一个人工视觉系统,可以准确有效地检测出图案化的光刺激并“记忆”刺激的形状一个小时。何教授说:“就像我们的大脑记得一段时间以来看到的一样。”

他补充说,该团队合成光子突触和人工视觉系统的方式不需要复杂的设备。而且,这些设备可以以可扩展且低成本的方式在柔性塑料上制成。

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