超低耗能的人工视觉系统　促进新一代人工智能发展

由香港城市大学（香港城大）领导的联合研究，建立了一套耗电量极低的人工视觉系统，以仿真人类大脑，并成功执行了数据密集的认知任务。研究团队的实验成果，将可为新一代人工智能（artificial intelligence, AI）器件，提供具潜力的操作系统。

研究团队由香港城大材料科学及工程学系（MSE）副系主任兼教授何颂贤教授领导。研究成果已于科学期刊《科学进展》(Science Advances)上发表，题为〈Artificial visual system enabled by quasi-two-dimensional electron gases in oxide superlattice nanowires〉。

随着广泛应用于数字运算的半导体技术出现发展停滞的迹像，神经形态（neuromorphic, 即模拟人类大脑）的计算系统被视为未来的替代方案之一，科学家们因而一直努力尝试研发出可以媲美人类大脑般轻巧、具能源效益及适应能力的新一代先进人工智能计算机。

“可惜现有人工突触（synapses）若要做到耗能极低、但又有效地模仿人脑的神经可塑性（neuroplasticity），仍是一大挑战。而所谓神经可塑性，即是神经网络改变连接或者自行重新联机的能力。”何教授说。

提升人工突触的能源效益

突触是指脑内两个神经元之间，以传递神经信号来互相沟通的关键部位。“人工突触”即是人脑突触的人工版本，是模仿人类大脑有效传递神经信号和形成记忆过程的一种器件。

 

为了提升人工突触的能源效益，何教授的研究团队首次于人工神经形态系统中，运用”准二维电子气”（quasi-two-dimensional electron gases）。团队透过制备出具有卓越电学性能的半导体材料氧化物超晶格纳米线（oxide superlattice nanowires），研制了准二维电子气光子突触（quasi-2DEG photonic synaptic devices）。该人工突触录得每次突触反应（per synaptic event）只耗能少于千万亿分之一焦耳（0.7fJ）的最低纪录；对比起人脑的突触，何教授团队开发的光子突触设备的耗能足足减低了93%。

何教授说：“实验证明，运用了我们特制的光子突触的人工视觉系统，能够以极低耗能，同时执行感光、如人脑般运算和产生记忆的功能。相信我们的研究成果，可以为他日建立应用于仿生设备、电子眼睛以及多功能机器人的人工神经形态系统，提供一个具前景的策略。”

模仿突触的电导改变

何教授解释，当电子被局限在两种不同材料之间的二维界面时，就会产生二维电子气。由于没有电子之间的相互作用和电子与离子的相互作用，因此那些电子在界面中可以自由走动。

当接触到光脉冲时，来自环境中的氧分子会被纳米线表面吸附，并与来自氧化物超晶格纳米线内部的二维电子气的自由电子，诱发出一系列的反应，光子突触的电导因而改变。由于超晶格纳米线具有出色的电荷载流子迁移率和对光的刺激高度敏感，光子突触中电导的变化，能达到与人脑突触电导变化相类似的效果。因此，准二维电子气光子突触可以模拟人脑中的神经元传输和记住信号的方式。

集感光和记忆功能于一身 

 

“超晶格纳米线材料具有特殊性能，令我们的人工突触能同时具有感光和记忆的功能。简而言之，超晶格纳米线的核心能高度灵敏地感应到光的刺激，而纳米线的外壳则可以促进记忆功能，所以我们不需要在图像感测芯片中制作用以储存电荷的额外记忆模块，这也是我们此设备能节省能耗的原因。”何教授解释说。

研究团队利用这种准二维电子气光子突触，建立了一个人工视觉系统，能准确和有效地感测到光图案的刺激，并“记住”该图案的形状长达一个小时。何教授形容，就如“我们的大脑会记住眼睛所见的事物一段时间一样”。

 

他补充说，团队合成光子突触和人工视觉系统的方法毋需使用复杂的仪器，而且他们研制的光子突触能够以大规模和低成本的方式，在柔性塑料上制备。

何教授是论文的通讯作者，而论文第一作者是他的两位博士生孟优和李方舟。来自香港城大的研究团队成员还有卜修明博士、叶晨宝博士、康小林、魏仁杰、李达攀和王飞。团队其他成员则来自电子科技大学、九州岛大学以及东京大学。

 

 

 

这项研究获得香港城大、香港研究资助局、国家自然科学基金会与深圳市科技创新委员会的资助。

DOI number: 10.1126/sciadv.abc6389

本文已于 “香港城大研创” 微信公众号发布。
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