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中科院福建物構(gòu)所黃偉國(guó)研究員、香港大學(xué)王忠睿教授團(tuán)隊(duì)《Nat. Commun.》：可實(shí)現(xiàn)“儲(chǔ)池計(jì)算”的柔性光電材料和器件
2023-02-06  來(lái)源：高分子科技


  人類視網(wǎng)膜通過(guò)感知光信號(hào)收集豐富的動(dòng)態(tài)圖像，并對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理，進(jìn)而加速下游視覺(jué)皮層的任務(wù)識(shí)別。傳統(tǒng)硅視覺(jué)芯片的信號(hào)感知、存儲(chǔ)和處理單元相互獨(dú)立，各單元之間大量頻繁的數(shù)據(jù)傳輸和模數(shù)轉(zhuǎn)換，不但會(huì)產(chǎn)生大量的能耗，還嚴(yán)重限制了算速。這一局限性隨著摩爾定律的減速進(jìn)一步加劇。因此，開(kāi)發(fā)柔性且具有“感算一體”特征的光電材料和器件，對(duì)于實(shí)現(xiàn)低功耗高算速的邊緣計(jì)算器件具有重要的意義。


  中國(guó)科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所結(jié)構(gòu)化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室黃偉國(guó)研究員團(tuán)隊(duì)、香港大學(xué)王忠睿教授團(tuán)隊(duì)提出了一種材料-算法協(xié)同設(shè)計(jì)策略，開(kāi)發(fā)出具有高效激子分離和空間電荷傳輸特性的半導(dǎo)體聚合物(p-NDI)，并且成功地構(gòu)建了具有多任務(wù)識(shí)別能力的“儲(chǔ)池計(jì)算”視覺(jué)芯片。基于p-NDI出色的光響應(yīng)行為和瞬態(tài)記憶特性，器件可同時(shí)感知、存儲(chǔ)和預(yù)處理光信號(hào)，并表現(xiàn)出多比特信號(hào)區(qū)分能力，記憶非線性衰減行為，和對(duì)于不同輸入信號(hào)的實(shí)時(shí)關(guān)聯(lián)特性；诖，該“儲(chǔ)池計(jì)算”器件對(duì)手寫(xiě)字母、數(shù)字和服裝的識(shí)別率分別為98.04%、88.18%和91.76%。此外，其對(duì)不同動(dòng)態(tài)手勢(shì)的識(shí)別率高達(dá)98.62%，為有機(jī)光電材料中報(bào)道的最高值。該工作為柔性可穿戴具有多任務(wù)學(xué)習(xí)識(shí)別功能的高效光子神經(jīng)形態(tài)器件提供了一種全新的設(shè)計(jì)策略。 



  形貌分析表明p-NDI具有較規(guī)整面外取向，及較差的面內(nèi)取向，為有效的空間電荷傳輸創(chuàng)造了一個(gè)良好的連接路徑。這些特性促成了基于p-NDI的晶體管具有出色的光響應(yīng)行為和瞬態(tài)記憶特性。 



  上圖結(jié)果表明基于p-NDI的 “儲(chǔ)池計(jì)算”器件對(duì)手寫(xiě)字母、數(shù)字和服裝的識(shí)別率分別為98.04%、88.18%和91.76%。    



  在多任務(wù)識(shí)別性能方面，光電儲(chǔ)池計(jì)算系統(tǒng)與典型的單層ANN和雙層ANN兩者相比，其精度更高，且需訓(xùn)練參數(shù)量和MAC操作數(shù)量更少。 



  基于p-NDI構(gòu)建的具有多任務(wù)識(shí)別能力的“儲(chǔ)池計(jì)算”視覺(jué)芯片可以成功實(shí)現(xiàn)對(duì)于動(dòng)圖的識(shí)別，且對(duì)不同動(dòng)態(tài)手勢(shì)識(shí)別率高達(dá)到98.62%。


  該成果以“Wearable in-sensor reservoir computing using optoelectronic polymers with through-space charge-transport characteristics for multi-task learning” 為題發(fā)表于《nature communication》上。中國(guó)科學(xué)院大學(xué)博士研究生吳孝嵩和香港大學(xué)博士研究生王少聰為本文共同第一作者。該項(xiàng)研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委，中國(guó)福建光電信息科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室支持。


  原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-36205-9

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