中國電子元件行業(yè)協(xié)會
China Electronic Components Association
隨著人工智能和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）技術(shù)的飛速發(fā)展，對生活帶來便利的同時也暴露出了基于馮·諾伊曼的傳統(tǒng)計算架構(gòu)因為存儲與計算單元之間存在物理屏障而導(dǎo)致的對日益龐大的數(shù)據(jù)量和能耗巨大的應(yīng)對不足的問題。光作為現(xiàn)代信息傳輸?shù)闹饕浇橹?，因其具有高速傳輸能力和高安全性而備受青睞。然而基于傳統(tǒng)光探測器的探測系統(tǒng)僅能實現(xiàn)對光信息的探測缺乏對信息的基本處理能力，在數(shù)據(jù)量日益增加和處理能力要求更高的未來將被淘汰。因此，開發(fā)出一種兼具探測和信息處理能力的新型光探測系統(tǒng)被視為下一代信息技術(shù)的關(guān)鍵。
近日，山東大學(xué)聯(lián)合中北大學(xué)研究團(tuán)隊提出了一種集成感知、存儲和計算的近傳感神經(jīng)形態(tài)計算系統(tǒng)。研究成果以“Near-Sensor Neuromorphic Computing System based on Thermopile Infrared Detector and Memristor for Encrypted Visual Information Transmission”為題發(fā)表在國際著名期刊Nano Letters上，山東大學(xué)集成電路學(xué)院研究生王政為本文的第一作者，山東大學(xué)集成電路學(xué)院王天宇研究員、孟佳琳研究員與中北大學(xué)雷程副教授為論文共同通訊作者。
該系統(tǒng)由能夠探測近紅外波段光信息的熱電堆紅外探測器陣列和被視作實現(xiàn)類腦計算的有力候選者的憶阻器陣列組成。該系統(tǒng)通過熱電堆紅外探測器陣列捕捉紅外波段信號，后產(chǎn)生響應(yīng)電壓被輸入至憶阻器陣列內(nèi)進(jìn)行產(chǎn)生電導(dǎo)值，并在這一過程完成權(quán)重更迭。基于該系統(tǒng)，作者首先以經(jīng)過該系統(tǒng)的降噪預(yù)處理后，對MNIST 數(shù)字的識別率由84.26%提升至98.63%，證明了該系統(tǒng)具備高精度視覺神經(jīng)形態(tài)計算能力，后基于該系統(tǒng)和軟硬件結(jié)合的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）設(shè)計了一種區(qū)別于主流的信息加密傳輸方式，并成功演示了應(yīng)用場景。
圖1. 近傳感神經(jīng)形態(tài)計算系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理。
圖2. 基于近傳感神經(jīng)形態(tài)計算系統(tǒng)的信息加密傳輸與識別。
圖3. 基于熱電堆紅外探測器的近傳感系統(tǒng)信息安全加密傳輸和計算的應(yīng)用演示。
綜上所述，研究者提出了一種由熱電堆紅外探測器陣列和憶阻器陣列所組成的近傳感神經(jīng)形態(tài)計算系統(tǒng)。其中，熱電堆紅外探測器展示出了較寬的檢測范圍和快速響應(yīng)能力。憶阻器展示出了優(yōu)異的保持性、耐受性和神經(jīng)形態(tài)計算能力。研究者開發(fā)了一種用于手寫數(shù)字識別的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，通過熱電堆紅外探測器的去噪處理，將準(zhǔn)確率從84.27%提高到98.63%。研究者利用近傳感器神經(jīng)形態(tài)計算系統(tǒng)進(jìn)行加密密碼傳輸和語音激活安全訪問，展示出了高精度信息傳輸和加密的巨大潛力。
