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中國科大微電子學(xué)院龍世兵教授團隊與復(fù)旦大學(xué)芯片與系統(tǒng)先進技術(shù)研究院劉琦教授團隊合作，利用深紫外（DUV）光電突觸結(jié)合憶阻器的構(gòu)架實現(xiàn)了基于儲備池計算（RC）的指紋識別系統(tǒng)，相關(guān)成果以“In-sensor reservoir computing system for latent fingerprint recognition with deep ultraviolet photo-synapses and memristor array”為題于11月3日在線發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊《Nature Communications》上。

深紫外光電探測器在深空探索、環(huán)境監(jiān)測、生物信息識別等領(lǐng)域的角色舉足輕重，然而高速智能化探測在DUV波段存在嚴重缺失。以傳統(tǒng)的指紋識別系統(tǒng)為例（圖1a），其中傳感器、存儲器和處理器的分離惡化了決策的延遲，并不可避免地增加了整體計算能耗。隨著智能時代的來臨，這類光信息應(yīng)該以什么樣的形式進行處理？在生物體中，光信息的采集通過視覺神經(jīng)系統(tǒng)來完成，而光信息的處理通過中樞神經(jīng)系統(tǒng)進行（圖1b）。受此啟發(fā)，合作團隊提出通過感算和存算器件分別模擬神經(jīng)突觸的行為，來實現(xiàn)感存算一體化的光信息采集與處理（圖1c）。

圖1基于光突觸和憶阻器件陣列的RC系統(tǒng)。（a）以指紋識別為例的傳統(tǒng)DUV圖像識別系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸及處理模式。（b）生物視覺識別系統(tǒng)示意圖，包括視網(wǎng)膜、視神經(jīng)元和視皮層。（c）以光學(xué)突觸為儲備池輸入層，憶阻器件陣列為讀出網(wǎng)絡(luò)層的感算RC系統(tǒng)。

團隊基于富鎵氧化鎵材料設(shè)計，利用非晶材料的顯著持續(xù)光電導(dǎo)效應(yīng)，制備了具備短時程效應(yīng)的光突觸器件。通過4比特的紫外光脈沖輸入測試，構(gòu)建了感算器件RC網(wǎng)絡(luò)的映射關(guān)系，這可以將圖片信息通過紫外光轉(zhuǎn)化為特征電流值（圖2a）。最終，通過存算憶阻器陣列穩(wěn)定的多態(tài)調(diào)控特性實現(xiàn)了對儲備池輸出的訓(xùn)練，實現(xiàn)了小規(guī)模的深紫外指紋識別功能。基于該硬件系統(tǒng)，采用定制化特征值策略，DUV指紋圖像的高識別精度幾乎與軟件仿真結(jié)果相匹配（圖2b,c）。該系統(tǒng)在短期訓(xùn)練后即可達到100%的識別準(zhǔn)確率，并且即使在15%背景噪聲水平下也能保持90%的準(zhǔn)確率，這與DUV波段的抗噪特性相符（圖2d）。這種全硬件感算RC系統(tǒng)為高效的識別和安全應(yīng)用提供了很好的參考原型，也對深紫外波段的智能光電器件發(fā)展具有重要參考意義。

圖2 基于硬件感算RC系統(tǒng)的DUV指紋識別。（a）硬件光電RC系統(tǒng)的示意圖，包括生成特征輸出的光突觸儲備池層和執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的憶阻器讀出層。模擬和硬件實驗權(quán)重的（b）顏色映射圖和（c）統(tǒng)計直方圖。（d）隨機噪聲對RC系統(tǒng)指紋識別準(zhǔn)確率的影響。

該成果得到了審稿人的充分肯定：“這個原型系統(tǒng)將為感內(nèi)儲備池計算系統(tǒng)的發(fā)展提供更多思路，整個工作的主題非常有趣。”（“This prototype system … will provide more insight into emerging in-sensor reservoir computing. Overall, the topic of this work is truly interesting”）。

中國科大微電子學(xué)院博士生張中方為本文的第一作者，龍世兵教授、趙曉龍副研究員以及復(fù)旦大學(xué)芯片與系統(tǒng)先進技術(shù)研究院的張續(xù)猛副研究員為本文的共同通訊作者。該成果得到了國家自然科學(xué)基金、中科院戰(zhàn)略先導(dǎo)、中科院重點研發(fā)計劃、廣東省重點研發(fā)計劃以及中國科大微納研究與制造中心等的資助。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-34230-8

（微電子學(xué)院、科研部）