Przejdź do treści

Monochalcogenide-based retina-inspired photosynapses for energy-efficient neuromorphic computing and artificial visual system application

W ostatnim czasie pojawiło się kilka sztucznych urządzeń fotosynaptycznych, mających na celu odtworzenie fotonicznej plastyczności synaptycznej dla obliczeń neuromorficznych. Integracja sztucznego biologicznego neuromorficznego czujnika wzroku i fotodetektora w jednym urządzeniu stanowi istotne wyzwanie. W niniejszej pracy po raz pierwszy opracowano nowy fotosynaptyczny memrystor oparty na monochalkogenidzie GeS, wykorzystując inżynierię defektów. Wytworzone urządzenie wykazało szybką odpowiedź na światło oraz trwałe fotoprzewodnictwo zarówno dla GeS w stanie pierwotnym, jak i po inżynierii defektów, co wynika z charakterystycznych relaksacji stanów pułapkowych. Obliczenia metodą DFT oparte na pierwszych zasadach ujawniają, że w GeSOx występują dodatkowe stany energetyczne działające jako pułapki dla fotonów. GeS i GeSOx posiadają pośrednią przerwę energetyczną o wartościach odpowiednio 1,62 i 1,30 eV. W konsekwencji urządzenia te mogą generować prąd fotonowy pod wpływem światła, naśladując zachowanie neuronów. Ponadto wykazują one podstawowe funkcje synaptyczne, takie jak krótkotrwała pamięć (STM), długotrwała pamięć (LTM), EPSC, PPF oraz przejście od pamięci krótkotrwałej do długotrwałej. W szczególności urządzenie charakteryzuje się znakomitą pamięcią obrazów oraz reakcjami czułymi na długość fali w zadaniach rozpoznawania liter, naśladując biologiczną siatkówkę. Symulowany system maszynowego widzenia z wykorzystaniem urządzenia siatkówki GeS jako rdzenia przetwarzającego wykazał doskonałą dokładność: 96,75% dla zbioru danych MNIST oraz 85,43% dla fashion-MNIST. Dzięki fotoczułości GeS urządzenia te mogą działać przy niskim napięciu bias 0,1 V, zużywając jedynie około 85 pJ energii na jedno użycie. Ponadto w symulacji optoelektronicznej wbudowano funkcję logiczną „AND”. Wyniki tego badania otwierają drogę do integracji zaawansowanych systemów wizyjnych dla robotyki oraz do dalszego rozwoju możliwości obliczeń neuromorficznych.

Artykuł:

Chemical Engineering Journal

Autorzy z PW:

Syed Hassan Abbas Jaffery 

Dyscyplina:

Rok wydania: