[发明专利]光敏神经元、感存算一体化智能感知装置、方法及介质

说明书

本申请涉及半导体技术领域，特别涉及一种光敏神经元、感存算一体化智能感知装置、方法及介质，其中，光敏神经元包括：雪崩探测器，用于在光子入射时，基于光致雪崩效应，输出电压脉冲；与所述雪崩探测器串联的自适应阻变存储器，用于在所述电压脉冲的驱动下，导电离子漂移到导电沟道形成沉积，以感知任一信号光的光场信号，和/或经过训练后，产生最大幅值的电流脉冲。由此，解决了相关技术中感存算一体化架构像素密度低的问题，大大提高光敏神经元网络像素密度，且尺寸小、功耗低和速度快。

技术领域

本申请涉及半导体技术领域，特别涉及一种光敏神经元、感存算一体化智能感知装置、方法及介质。

背景技术

目前，已有感存算一体化架构包括CMOS(Complementary Metal OxideSemiconductor，互补金属氧化物半导体))架构和阻变调控网络架构两大类。

其中，CMOS架构的特点可以如图1所示，传感器(Sensor)和模拟信号处理器(PE)串联然后并联。Sensor将光信号转换成电信号，传给PE，PE按照一定的时序和指令对光电信号进行模拟计算，PE一般与相邻的PE交互数据，形成相邻区域信号高度关联性计算，其可以完成卷积，滤波等常规图像处理任务。由于具有时序操作能力，计算处理灵活。阻变调控网络架构的特点可以如图2所示，探测器与神经突触器件(如忆阻器、多级开关等)进行组合，探测器负责传感，神经突触器件负责存储和计算，从而实现传感与存储、计算的一体化功能融合。在该架构中，有时神经突触器件有光敏特性，可以同时充当传感器。神经突触器件事先训练好(电学训练)以确定感光单元的响应度R，每个感光单元的输出电流等于入射光强S与响应度R之间的乘积。通过像素之间的连线组合，将相距一定距离的不相邻像素的输出电流结果按照基尔霍夫定律叠加，完成神经元的加权求和功能(如S₁-S_m通过加权求和映射到I₁的过程)。另一方面，相邻像素对光场同一位置进行采样，可以近似认为光强一致。它们通过上述神经元加权求和的作用将光强映射到不同通路的输出电流上(如S₁通过加权求和映射到I₁-I_m的过程)。在这种方法中，神经突触器件的尺寸往往小于探测器尺寸，不影响空间探测效率。

然而，对于CMOS架构来说，其主要问题在于需要状态标记区FLAG和寄存器REGISTERS寄存计算所需要的状态和数据，需要模拟运算处理器ALU来按照一定的算法加权计算相邻像素的光电流数据。ALU，FLAG和REGISTERS的硬件相对复杂，面积较大(远超Sensor尺寸)，面积超过Sensor的部分无法感光，影响成像像素密度；对于阻变调控网络架构来说，其需要设置一定的周期延拓机制(如图2中虚线框所示为周期延拓最小单元)来增加像素数，从而增加神经网络的宽度。相邻的神经元在算法层面只能被当成一个像素，使得像素密度大幅度下降。另一方面，目前光敏神经元通常由具有光敏功能的忆阻器材料制成，需要较强的光或者特殊波段的光才能触发忆阻效应。

发明内容

本申请提供一种光敏神经元、感存算一体化智能感知装置、方法及介质，以解决相关技术中感存算一体化架构像素密度低的问题，大大提高光敏神经元网络像素密度，且尺寸小、功耗低和速度快。

本申请第一方面实施例提供一种光敏神经元，包括：

雪崩探测器(Single Photon Avalanche Diode，SPAD)，用于在光子入射时，基于光致雪崩效应，输出电压脉冲；

与所述雪崩探测器串联的自适应阻变存储器(ARS)，用于在所述电压脉冲的驱动下，导电离子漂移到导电沟道形成沉积，以感知任一信号光的光场信号，和/或经过训练后，产生最大幅值的电流脉冲。

可选地，在无光子入射时，所述自适应阻变存储器的导电沟道溶解消散，其中，所述导电沟道的沉积速度大于所述导电沟道的扩散消融速度时，所述适应阻变存储器进入电阻降低模式，所述雪崩探测器进入快速充电模式，恢复至雪崩之前的初始状态。