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北京大学黄如院士-杨玉超教授团队在视觉感存算一体阵列与系统研究中取得重要进展
北京大学集成电路学院/集成电路高精尖创新中心黄如-杨玉超教授团队研究报道了基于忆阻器的视觉神经形态计算芯片，该芯片采用光晶体管-忆阻器（One-phototransistor-one-memristor，1PT1R）阵列实现，具备光图像的感存算一体功能，用于实现光图像的在线训练与识别。作者利用光晶体管作为忆阻器阵列的选通器（selector）构建了一种具有高线性光可调电导权重，抗串扰与硅工艺兼容特性的光晶体管-忆阻器阵列芯片，解决了目前忆阻器视觉神经形态器件的非线性电导权重调节、器件一致性差、阵列串扰、硅工艺兼容性不足等重要问题。
此外，光晶体管-忆阻器（One-phototransistor-one-memristor，1PT1R）阵列被应用于视觉感存一体计算任务，具备高速光图像在线学习与高精度识别功能
随着物联网技术、自动驾驶等智能技术的快速发展，用于人工视觉信息感知的图像传感器数量急剧增加。此外，随着智能电子系统对于图像传感器的像素密度和帧速率要求的提高, 图像处理已成为典型的数据密集型计算任务。传统人工视觉系统通常采用成熟的CMOS技术实现，包括用于感知视觉信息的图像传感器、用于存储视觉信息的存储单元以及用于处理复杂图像的信息处理单元。由于传统人工视觉系统不同的功能要求和制造技术使得传感器与计算单元物理分离, 这使得在图像传感器节点的数据处理过程中产生了非结构化和冗余的数据。因此，图像传感器终端需要从本地获取大量原始数据，并将其传输到本地计算单元或云端计算系统，这使得传统人工视觉系统在能耗、响应时间、数据存储、通信带宽和安全性方面产生了严重问题。
基于忆阻器的视觉神经形态器件可以融合视觉信息感知、存储、计算功能，从而降低了图像传感器从感知到计算过程中的计算延迟与冗余数据存储。然而，目前基于光致忆阻效应的视觉神经形态器件与阵列仍然面临非线性权重更新、器件一致性差、硅工艺不兼容、电导漂移、可区分电导状态数少、状态保持时间短、阵列串扰等非理想特性，这导致难以使用目前的忆阻器视觉神经形态器件实现具有高精度、高可靠性的大规模视觉神经形态计算硬件集成阵列与芯片。
为解决现有忆阻器视觉神经形态器件与阵列面临的诸多非理想特性与问题，北京大学集成电路学院/集成电路高精尖创新中心黄如院士-杨玉超教授团队首次采用光晶体管作为忆阻器阵列的选通器（selector），解决了当前视觉神经形态器件阵列的串扰和集成问题，实现了基于光晶体管-忆阻器阵列的视觉感存一体计算硬件系统。与目前的视觉神经形态计算器件与阵列相比，基于光晶体管-忆阻器（1PT1R）的集成阵列具有高线性电导权重可调特性、稳定电导状态、大量的电导状态数（500 levels）、低写操作延迟（100 μs）和低涨落性(σLTP = 0.29 %，σLTD = 0.22 %) 等优点。此外，研究团队采用光晶体管-忆阻器（1PT1R）的集成阵列构建了光人工神经网络（OANN），可支持图像的在线加速训练与识别任务，实现了高达99.3%图像识别准确率，为构建基于忆阻器的大规模视觉感存一体计算芯片研究提供了可行的解决方案。
出版信息
标题:
One-Phototransistor–One-Memristor Array with High-Linearity Light-Tunable Weight for Optic Neuromorphic Computing
出版信息:
ADVANCED MATERIALS，02 August 2022
DOI:
10.1002/adma.202204844
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北京大学集成电路学院/集成电路高精尖创新中心黄如院士-杨玉超教授团队在分布式多智能体自组织演化计算研究中取得重要进展
近日，中国科学技术大学邹长铃团队与清华大学孙麓岩团队的最新综述论文以「Hybrid superconducting-photonic-phononic chip for quantum information processing」为题在Chip上发表，第一作者为徐新标，通讯作者是孙麓岩与邹长铃。
本综述介绍了光子与超导集成芯片在量子信息处理领域的发展与挑战，以及超导-光子-声子混合集成量子芯片对解决这些挑战可能做出的贡献。
量子计算由于其独特的并行计算优势受到了广泛的关注。近年来，多种量子信息处理平台（如中性原子，离子阱，光子和超导集成电路等）由于各自的优势都得到了广泛的发展，其中以光量子芯片和低温超导量子芯片为代表的固态量子芯片由于小体积、 高稳定性和高可拓展性成为非常有竞争力的发展平台。
文章首先分别介绍了光子和低温超导量子芯片的发展现状与挑战。其中，光子由于其百太赫兹量级的工作频率具有非常小的热光子激发，可以很好地维持其量子相干性。因此，利用集成光量子芯片有望在将来发展出一种室温量子信息处理平台，有助于拓展其使用场景。虽然集成光量子芯片具有以上优势，但它受限于材料色散系数和传播损耗的制衡以及材料本身的弱非线性系数，为了实现复杂的量子信息处理，集成光量子芯片依然面临一些挑战，如缺乏高效的片上光存储器、延时器和强非线性。
相比之下，虽然超导系统是利用复杂且精密的稀释制冷机在mK的温度下工作以降低环境的热激发，但基于可编程固态超导量子芯片的量子信息处理平台发展则更加超前。由于宏观尺度下的超导电路具有很高的可设计性，多种不同性质的超导比特（如电荷量子比特、相位量子比特和磁通量子比特）及其演变结构极大地丰富了超导量子芯片所能设计的哈密顿量类型和相应的量子信息处理能力。在过去的十几年里，得益于微纳加工工艺、材料以及设计水平的不断发展，超导比特的相干时间、门操作保真度以及信息读取速度都得到了极大的提高。基于这些进展，芝加哥大学、谷歌等团队⁶和中国科学技术大学团队⁷分别在超导量子芯片上制备了53个比特和66个比特的超导回路并且验证了量子优越性。但是，随着将来超导比特数目的继续增加，大规模集成的超导量子芯片也将面临一些困难：
（1）由于超导比特和片上微波器件巨大的尺寸失配，系统的集成度很难提高；
（2）随着比特数目的增加，如何布线以抑制微波串扰也将是面临的一个难题；
（3）工作于微波波段的超导量子芯片不利于高效的量子信息传输，如何高效地将微波携带的量子信息转换到通信波段以实现远距离的传输也至关重要。
文章陈述结合集成光量子芯片和超导量子芯片各自的优势和面临的核心挑战，将二者有机地结合可以发挥各自的优势解决彼此面临的一些问题。但是，通信波段光子与超导系统天然不兼容：一方面，由于光波与微波的频率相差巨大，二者很难直接相互作用；另一方面，超导金属对光波的吸收容易破坏低温环境且给光波带来损耗。因此，引入GHz的高频声子作为媒介是一种可行的方法。通过引入声子实现声子、光子、超导系统的混合集成具有以下优势：利用高效的光-声相互作用和微波-声波相互作用可以实现高效的光波-微波频率转换，解决微波量子信息无法远距离传输的问题；此外，由于声子的传播速度比光子慢五个数量级，非常适合做延时，且相同频率下集成声子器件的尺寸也比微波器件的尺寸小五个数量级。因此，利用集成声子器件代替微波器件将可以极大地提高超导量子芯片的集成度；由于声波在真空中无法传播且高频声波的波长很短，利用声子可以减小芯片上各个器件的串扰。
基于量子芯片在近年来的激动人心的进展，混合集成量子芯片毫无疑问地将会在分布式量子计算、量子网络、量子通信和基础物理等研究方面扮演越来越重要的角色。
出版信息
标题:
Hybrid superconducting photonic-phononic chip for quantum information processing
出版信息:
Chip，16 August 2022
DOI:
10.1016/j.chip.2022.100016
转自：“科研之友 ScholarMate”微信公众号
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