近日，Nature Communications 在線刊發了華中科技大學集成電路學院葉鐳教授、繆向水教授關于二維材料非線性效應全光神經計算硬件的最新研究成果“Programmable nonlinear optical neuromorphic computing with bare 2D material MoS2”。繆向水、葉鐳、武漢光電國家研究中心王平教授和美國倫斯勒理工學院包瑋教授為通訊作者，香港中文大學童磊博士、我校集成電路學院王逸倫博士、合肥工業大學畢亞麗博士為共同第一作者。我校集成電路學院為論文第一完成單位。該工作得到香港中文大學許建斌教授、美國賓夕法尼亞大學Deep Jariwala教授的大力支持，受到國家自然科學基金、國家重點研發計劃、湖北省重點研發計劃和香港研究資助局等項目的資助。 
二維材料具有多樣且可調的非線性光學效應，基于其非線性效應的全光計算機制具有高速、高并性度、高能效的本征優勢，能夠支撐數據密集型人工智能計算硬件的高效開發。目前主要的硬件方案包括：片上光學結構硬件，保留全光計算的本征性能，但是動態可調性受限，難以高密度集成；光電耦合調控硬件，支持高效可調性和高密度器件集成，但是大幅降低處理速度且引入額外功耗。華中科技大學團隊的這一研究從材料能帶結構出發，設計全新的全光激發方案，使電子的非線性弛豫過程和信號調控需求匹配，進而開發純二維MoS2陣列的全光計算硬件，實現非線性信號的增強和多維度動態調控。該硬件保留光計算的本征優勢，規避復雜硬件設計，解決計算性能和功能調控的矛盾。
硬件設計和理論基礎
多層MoS2材料的非線性效應涉及到布里淵區K谷處的雙光子吸收以及Γ點處高能嵌套導帶中的協同激發態吸收。通過設計全新的泵浦-探測-控制飛秒脈沖激發方案，其中控制光脈沖使非線性效應從雙光子吸收轉換至協同激發態吸收，實現非線性信號的增強，信噪比大于16dB；非線性信號可以由三種光脈沖獨立調制，信號強度和功率成線性關系；三能級激發躍遷使信號弛豫壽命延長；高能嵌套導帶內高電子態密度分布增強庫倫屏蔽效應，使信號的厚度依賴性明顯增強。因此，可以通過控制光的開關狀態、激發功率、脈沖延遲時間、材料厚度等四個維度進行光信號的動態調控和多種功能設計。
硬件調控方案
由于上述全光計算機制僅依賴材料的本征物理特性，華中科技大學團隊首次直接利用純MoS2材料構建高集成密度的全光計算陣列，無需復雜的光學結構設計，無需引入電信號耦合調控。以脈沖延遲時間編碼陣列單元的權重，以激發功率編碼輸入信號，實現全光神經網絡計算，陣列單元的計算速度達到5.6ps，計算功耗為~5.12−9.12pJ。精準選擇計算單元的材料厚度，將激發功率編碼為二進制輸入信號，實現全光與門、或門、與非門、或非門和數模轉換器等邏輯計算器件。相關工作為非線性全光神經網絡硬件的開發提供了全新的解決思路。
硬件功能實現
繆向水團隊長期從事三維相變存儲器、憶阻器、類腦智能計算與邏輯運算等信息存儲材料及器件方向的研究。2018年出版了國內第一本憶阻器專著《憶阻器導論》；2019年團隊將93項三維相變存儲器芯片專利許可給國內存儲器龍頭并合作開發產品，并與行業龍頭企業合作建立了聯合實驗室，推動存儲器芯片技術成果轉化和未來引領技術探索。
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