中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì)
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(duì)生活帶來便利的同時(shí)也暴露出了基于馮·諾伊曼的傳統(tǒng)計(jì)算架構(gòu)因?yàn)榇鎯?chǔ)與計(jì)算單元之間存在物理屏障而導(dǎo)致的對(duì)日益龐大的數(shù)據(jù)量和能耗巨大的應(yīng)對(duì)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(cè)器的探測(cè)系統(tǒng)僅能實(shí)現(xiàn)對(duì)光信息的探測(cè)缺乏對(duì)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(cè)和信息處理能力的新型光探測(cè)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(duì)提出了一種集成感知、存儲(chǔ)和計(jì)算的近傳感神經(jīng)形態(tài)計(jì)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(cè)近紅外波段光信息的熱電堆紅外探測(cè)器陣列和被視作實(shí)現(xiàn)類腦計(jì)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(cè)器陣列捕捉紅外波段信號(hào)，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(duì)MNIST 數(shù)字的識(shí)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(jì)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(jì)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(chǎng)景。
圖1. 近傳感神經(jīng)形態(tài)計(jì)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(jì)算系統(tǒng)的信息加密傳輸與識(shí)別。
圖3. 基于熱電堆紅外探測(cè)器的近傳感系統(tǒng)信息安全加密傳輸和計(jì)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(cè)器陣列和憶阻器陣列所組成的近傳感神經(jīng)形態(tài)計(jì)算系統(tǒng)。其中，熱電堆紅外探測(cè)器展示出了較寬的檢測(cè)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(jì)算能力。研究者開發(fā)了一種用于手寫數(shù)字識(shí)別的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，通過熱電堆紅外探測(cè)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(jì)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。
