山大&復旦《Nano Letters》：新型類腦計算硬件，助力盲人動靜態手勢識別！

隨著人工智能、邊緣計算和類腦計算的迅速發展，傳統馮·諾依曼架構下“存儲與計算分離”帶來的“內存墻”與能耗瓶頸問題日益突出。神經形態計算通過在器件層面模擬生物神經元和突觸的事件驅動式信息處理方式，被認為是突破現有架構限制的重要方向。憶阻器與鐵電/反鐵電器件因兼具可塑性與非線性，被廣泛視為構建下一代類腦硬件的核心單元。

近日，山東大學與復旦大學團隊聯合攻關，將“鐵電/反鐵電協同”理念拓展到單堆疊、一體化的Hf0.2Zr0.8O2（HZO）憶阻-反鐵電器件平臺，并首次在硬件層面構建出卷積-脈沖神經網絡（Convolutional Spiking Neural Network, CSNN），實現對靜態手語字母和動態手勢的高效識別，為低功耗、人機交互系統提供了新的解決方案。相關成果以“One-Step Annealing-Configured Hf0.2Zr0.8O2 Memristive ? Antiferroelectric Devices for Bioinspired CSNN Neuromorphic Computing”為題發表在國際權威期刊 Nano Letters。山東大學集成電路學院研究生張謹昊、復旦大學集成電路與微納創新學院研究生徐康力、路宸為論文共同第一作者，山東大學王天宇研究員、孟佳琳研究員和復旦大學陳琳教授為共同通訊作者。

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.5c04249

圖1 一步退火配置的 HZO 單堆疊器件與仿生 CSNN 系統示意

圖 2 Hf0.2Zr0.8O2薄膜在退火前后的結構與相變演化

圖 3 TiN/HZO/TiN 憶阻器件特性

圖4 HZO 反鐵電器件人工神經元特性

圖5 基于 CSNN-FiringCodeNet 的手勢解碼與識別結果

本研究工作基于TiN/ Hf0.2Zr0.8O2/TiN 堆疊結構，通過一步快速熱退火配置，在同一材料體系內分別獲得具有多電導態可調特性的憶阻突觸器件和呈現典型“雙回線”極化行為的反鐵電神經元器件，構建出工藝兼容、結構統一的類腦硬件基礎單元。依托這一統一平臺，研究團隊搭建了卷積–脈沖混合神經網絡（CSNN）架構：前端憶阻陣列實現卷積特征提取與權重存儲，結合潛伏期與相位等時間編碼策略，將空間特征轉換為稀疏脈沖序列，后端由反鐵電神經元陣列完成時序模式識別，形成從材料、器件到系統架構較為完整的一體化技術方案。

基于該器件優異的性能表現，研究團隊進一步將其應用于盲人動態手勢識別，在26 個字母手語及“Hello”“Thank you”“Yes”“No”等典型動態手勢進行了識別測試任務中，取得了97.9%的準確率。該研究在統一材料平臺上協同實現“憶阻突觸–反鐵電神經元–CSNN 系統”的設計思路，為低功耗人機交互、輔聽與可穿戴智能等應用中的專用類腦芯片開發提供了可行路徑，也進一步拓展了基于 HfZrOx 系列器件開展神經形態計算與多模態感知的研究邊界。

王天宇研究員

山東大學集成電路學院

作者介紹：王天宇，山東大學集成電路學院研究員，博士生導師，國家集成電路創新中心顧問專家，國家博新計劃人才，山東省高層次人才，山東省泰山學者青年專家，山東省優青，山東省青年科技人才托舉工程入選者，上海市青年英才。擔任The Innovation、Exploration、Chip、SmarBot等期刊青年編委，發表SCI論文100余篇，申請發明專利83項，其中第一/通訊作者論文60余篇，包括Nature Communications、Advanced Materials、Nano Letters、Advanced Science、Nano-Micro Letters, Angew. Chem. Int. Ed.、Applied Physics Reviews、IEEE Electron Device Letters、IEEE Transactions on Electron Devices等領域內權威期刊。研究方向為新型鐵電材料與存儲器、柔性憶阻器件與神經網絡計算、人工智能技術與類腦芯片。

孟佳琳研究員

山東大學集成電路學院

作者介紹：孟佳琳，山東大學集成電路學院研究員，博士生導師，入選中國未來女科學家計劃、國家級青年人才、山東省優青、山東省泰山學者青年專家、上海市青年科技英才。擔任國際期刊The Innovation、eScience、Research、Chip、JMST、Information & Functional Materials、Soft Science、Brain-X等20余個期刊青年編委，發表SCI高水平論文90余篇，申請國家發明專利100余項，包括Nature Communications、Advanced Materials、ACS Nano、Nano Letters、Advanced Science、Nano-Micro Letters、Nano Energy、InfoMat、Advanced Electronic Materials、IEEE Electron Device Letters、IEEE Transactions on Electron Devices等領域內頂尖期刊。研究方向為光電感存算一體神經形態器件、新型神經突觸憶阻器/晶體管、柔性可穿戴電子與人工視覺系統。

陳琳教授

復旦大學微電子學院

作者介紹：陳琳，復旦大學集成電路與微納電子創新學院教授，博士生導師，國家級領軍人才。致力于微納電子工藝和新型半導體功能器件領域研究，取得系列具有國際先進水平的科研成果。已發表高水平論文200余篇，申請發明專利100余項，相關成果在Nature Communications、IEDM、Science Advances、Advanced Materials、Nano Letters、ACS Nano、Advanced Science、Angew. Chem. Int. Ed.、IEEE Electron Device Letters等國際頂尖SCI期刊上發表。所開展的研究工作獲得了國家中長期科技重大專項、國家自然基金委、上海市科委項目的資助，并獲得上海市青年“科技啟明星”、“晨光計劃”等人才項目。研究方向：集成電路新原理器件設計與先進CMOS工藝、新型存儲器件與存算一體技術、柔性電子器件與可穿戴技術、集成電路先進互連與三維集成技術。

來源：材料科學與工程公眾號。感謝論文作者團隊支持。

近期學術會議推薦