沙特阿卜杜拉國王科技大學(xué)研究團(tuán)隊開發(fā)出一種人工神經(jīng)元，可利用光電實(shí)現(xiàn)神經(jīng)形態(tài)計算。新技術(shù)模仿突觸或神經(jīng)元功能，可適應(yīng)和重新配置其對光的響應(yīng)進(jìn)而完成計算。這項突破性進(jìn)展發(fā)表在最新一期《光：科學(xué)與應(yīng)用》雜志上。

團(tuán)隊利用二維材料二硒化鉿設(shè)計并制造了金屬氧化物半導(dǎo)體電容器（MOSCap）。這種器件采用了垂直堆疊結(jié)構(gòu)，其中二硒化鉿夾在兩層氧化鋁之間，并放置在p型硅襯底上。頂部覆蓋有一層透明的氧化銦錫，允許光線從上方進(jìn)入。當(dāng)二硒化鉿納米片被集成到電荷捕獲存儲器件中時，能實(shí)現(xiàn)光學(xué)數(shù)據(jù)傳感和保留功能，使其在光源移除后仍能重新配置以感應(yīng)光或存儲光學(xué)數(shù)據(jù)。

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新設(shè)計的光電器件可適應(yīng)光線，模擬突觸和神經(jīng)元進(jìn)行光學(xué)神經(jīng)形態(tài)計算。

實(shí)驗表明，MOSCap的電荷捕獲和電容，會隨著光照條件的變化而變化，從而能作為智能存儲器，使用光信號進(jìn)行訓(xùn)練和響應(yīng)。例如，暴露于465納米波長的藍(lán)光，可增強(qiáng)對635納米波長的紅光的反應(yīng)，這是一種被稱為關(guān)聯(lián)學(xué)習(xí)的行為。在神經(jīng)形態(tài)計算中，MOSCap就像一個人工突觸，能同時展示出長期增強(qiáng)（增加突觸反應(yīng)）和長期抑制（減弱突觸反應(yīng)）的能力。

團(tuán)隊進(jìn)一步探索了這些人工神經(jīng)元如何響應(yīng)和適應(yīng)不同強(qiáng)度、持續(xù)時間和波長的光刺激。仿真實(shí)驗的預(yù)測顯示，基于這些設(shè)備的電容式突觸陣列電路，可在識別行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫中的手寫數(shù)字任務(wù)中達(dá)到96%的準(zhǔn)確率。此外，這些設(shè)備還展示了檢測系外行星的潛力，通過識別恒星光強(qiáng)度的瞬態(tài)變化，其準(zhǔn)確率高達(dá)90%。

研究表明，此類具有內(nèi)存光傳感功能的設(shè)備，非常適合邊緣計算應(yīng)用，尤其是在需要快速處理和存儲大量光學(xué)數(shù)據(jù)的人工智能領(lǐng)域。其潛在的應(yīng)用范圍更為廣泛，包括自動駕駛汽車、虛擬現(xiàn)實(shí)以及物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)等，為未來更具適應(yīng)性和能源效率的解決方案鋪平了道路。

相關(guān)鏈接：https://doi.org/10.1038/s41377-024-01698-6