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基于相變材料的片上光電存算一體化器件的研發(fā)

現(xiàn)階段所設(shè)計的存算一體器件單元結(jié)構(gòu)如圖 1 所示：器件的基本結(jié)構(gòu)由波導和功能層（由下到上分為加熱層、電極層、保護層、相變材料（硫系化合物）層）所構(gòu)成。擬通過在當前流行的絕緣層上硅(SOI)光子平臺上集成四氮化三硅光波導的方式實現(xiàn)器件的光學讀取功能，即在非常厚的硅襯底層上生長一層絕緣層二氧化硅和波導層，然后在基片上通過光刻、顯影、刻蝕等工藝制備四氮化三硅波導。功能層主要用于實現(xiàn)器件的電學寫入功能。加熱器層的主要用途是與相變材料層形成電接觸，通過較小的接觸面積使接觸處的熱量集中，從而可以在較小的電壓或電流下使相變材料發(fā)生相變。因此需要加熱器層具備較好的導熱和導電性能，同時在近 C 波段具有較低的光損耗，可采用石墨烯。電極層可用于提供相變材料器件單元所需要的編程電脈沖。當前擬采用硒摻雜的相變材料合金（如 GSST）作為器件的核心功能層的相變材料。該材料在通信/非通信波段顯示了極低的光損耗和更高的品質(zhì)因數(shù)，且相變前后在通信 C 波段具有足夠大的光學常數(shù)反差，可在更惡劣的高溫環(huán)境下進行操作，適用于硅基光子器件應用。采用的主要技術(shù)手段包括： ① 依托于相變材料的電致和光致相變特性，通過電學編程、光學讀取的方法實現(xiàn)器件的存儲、算術(shù)運算和邏輯運算功能：存儲功能的實現(xiàn)：擬利用相變材料晶態(tài)低透過率和非晶態(tài)高透過率分別代表二進制中的‘1’和‘0’，實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲（編程）功能。例如在電極兩端施加合適的電脈沖，所產(chǎn)生電流流經(jīng)加熱層時，生成的熱量主要集中在加熱層和相變材料層接觸處，使得接觸處的相變材料發(fā)生相變，實現(xiàn)存儲功能。在完成上述編程操作后，從器件波導輸入端輸入讀取連續(xù)光。由于相變材料功能層對光強的吸收能力在編程和非編程區(qū)域間存在著顯著的差異，因此當輸入光經(jīng)過波導后，其能量會因為相變材料編程區(qū)域的吸收而發(fā)生改變，進而顯著改變輸出光強能量。所以通過測量輸入輸出光強的能量之比（即透過率），可實現(xiàn)對先前編程區(qū)域的讀取。算術(shù)和邏輯功能的實現(xiàn)：通過調(diào)整編程電脈沖的幅度和寬度可以動態(tài)調(diào)控相變材料的相變程度，使得器件的中間透過率值可用于代表不同的數(shù)值，實現(xiàn)多級存儲功能。所以擬采用輸入脈沖數(shù)量對應加數(shù)的方法實現(xiàn)標量加法計算。同時由于所設(shè)計器件的讀取連續(xù)光輸出功率可視為讀取連續(xù)光輸入功率和器件透過率的乘積，因此可采用將輸入功率和透過率作為被乘數(shù)和乘數(shù)的方法實現(xiàn)基本乘法運算。除此之外還可以將器件功能層的初始狀態(tài)設(shè)置為非晶相，把晶化脈沖幅值和不足以產(chǎn)生晶化的脈沖幅值分別作為輸入邏輯‘1’和‘0’；同時設(shè)定一個判定閾值并與編程后器件透過率的變化率進行對比，把高于和低于閾值的透過率變化率分別作為輸出邏輯 ‘1’和‘0’；通過合理選擇編程脈沖有望實現(xiàn)各種邏輯功能輸出。 ② 基于器件透射率可調(diào)特性驗證其實現(xiàn)神經(jīng)突觸的可行性。并依托所設(shè)計人工突觸構(gòu)建人工神經(jīng)網(wǎng)絡芯片，實現(xiàn)圖像、語音和文本識別功能：突觸可塑性是大腦記憶和學習的神經(jīng)生物學基礎(chǔ)，也是人工類腦器件需要實現(xiàn)的首要功能。為實現(xiàn)突觸可塑性，擬把相變材料和波導之間的耦合區(qū)域視為仿生神經(jīng)突觸，左右兩端電極分別代表突觸前和突觸后，分別施加在兩端電極上的電脈沖則作為突觸前和突觸后刺激。通過調(diào)節(jié)從左右兩端電極輸入耦合區(qū)域的電脈沖時間差對耦合區(qū)域的光透過率進行連續(xù)調(diào)控，進而依托于上述存算理論模型和實物器件仿真和實驗實現(xiàn)仿生神經(jīng)突觸的脈沖時序依賴可塑性（Spike-Timing-Dependent-Plasticity, STDP)。將不同波長的光脈沖序列輸入所設(shè)計的突觸單元, 經(jīng)過相變材料的作用，脈沖強度發(fā)生變化，對應于乘法器。進而借助于微環(huán)結(jié)構(gòu)，將不同波長的脈沖導入進同一波導中，該功能類似加法器。相加后的脈沖光強較小時，讀取光與微環(huán)發(fā)生共振，在輸出端口沒有光強輸出。當光強達到一定的閾值后，讀取信號不再和微環(huán)發(fā)生共振，而是傳播到輸出端口。這一過程類似神經(jīng)元脈沖信號的激發(fā)，實現(xiàn)了非線性激活函數(shù)的功能。利用上述的單個神經(jīng)元結(jié)構(gòu)，驗證其監(jiān)督式機器學習和非監(jiān)督式機器學習。對于監(jiān)督式機器學習，權(quán)重的數(shù)值通過外部管理器設(shè)置；對于非監(jiān)督式機器學習，不再需要外部管理器來設(shè)置權(quán)重值，而是通過輸出光脈沖進行反饋控制，調(diào)整權(quán)重值。在單個神經(jīng)元結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，更復雜的光學脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，證明該結(jié)構(gòu)的可擴展性。擬設(shè)計的神經(jīng)網(wǎng)絡中的每一層結(jié)構(gòu)包括三個功能單元，即收集器、分發(fā)器和神經(jīng)突觸結(jié)構(gòu)。收集器將上一層不同波長的光脈沖信號收集到同一根波導中，分發(fā)器將光脈沖分發(fā)給多個神經(jīng)元，神經(jīng)突觸結(jié)構(gòu)則產(chǎn)生光脈沖信號，輸入給下一層結(jié)構(gòu)。基于上述結(jié)構(gòu)實現(xiàn)圖片、語音和文本的識別。創(chuàng)新性分析：①首次研究了一款基于“電學編程、光學讀取”模式的光電混合存算一體化器件。與傳統(tǒng)電學存算一體化器件相比,擬研發(fā)的器件可以進行長距離的信息傳輸，具有傳輸帶寬高、信號間延遲低、損耗低、抗干擾、集成密度高等優(yōu)點。②采用硒(Se)摻雜的相變材料作為存算一體化器件的核心功能材料。與采用其他相變材料的存算一體器件相比，以硒參雜的相變材料作為功能材料的存算一體器件有望展現(xiàn)出極低的光損耗。③提出了一種基于“電學脈沖刺激、光學權(quán)重調(diào)節(jié)”的人工神經(jīng)突觸。該突觸器件有望成為未來通用型人工神經(jīng)突觸，填補了光電混合型人工突觸的技術(shù)空白。先進性分析：①所提出的光電混合工作模式使得該存算一體化器件不但具有傳統(tǒng)集成電路的高密度特性，且兼具光通信技術(shù)的寬頻帶、低延遲、抗干擾的優(yōu)越性能。②所采用硒參雜的相變材料不但繼承了傳統(tǒng)材料具有的快速相變轉(zhuǎn)化速度、低功耗和穩(wěn)定性強等特性，且本身在通信波段非晶態(tài)透明的同時還保持了相變前后足夠大的光學性能差異的特點。③所設(shè)計的突觸繼承了人工電子突觸和全光突觸的優(yōu)點，具有高集成度、低功耗、超快響應時間、穩(wěn)定性強等優(yōu)點。獨占性分析：根據(jù)已取得成果正在撰寫專利，以獲得該關(guān)鍵技術(shù)的獨有權(quán)。

南京郵電大學 2021-05-11

山東力明科技職業(yè)學院

山東中西醫(yī)結(jié)合大學創(chuàng)建于1985年, 是由我國第一代從事中西醫(yī)結(jié)合研究和臨床實踐的王顯明教授在新中國成立后創(chuàng)辦的全國最早、唯一以中醫(yī)、中藥和中西醫(yī)結(jié)合教育為辦學特色、在海內(nèi)外有較高知名度的民辦醫(yī)科大學。 2001年，經(jīng)國家教育部授權(quán)、山東省人民政府批準，在山東中西醫(yī)結(jié)合大學的基礎(chǔ)上建立山東力明科技職業(yè)學院，納入國家計劃內(nèi)統(tǒng)招，獨立頒發(fā)學歷文憑，成為以中醫(yī)中藥和中西醫(yī)結(jié)合為辦學特色，集醫(yī)學、理工、經(jīng)管、藝術(shù)等學科門類于一體，各專業(yè)協(xié)調(diào)發(fā)展的綜合性民辦大學。建校30余年來，在各級政府和領(lǐng)導及海內(nèi)外各界朋友的關(guān)懷支持下，學院已培養(yǎng)畢業(yè)生20萬余人，遍及海內(nèi)外，以其既會中醫(yī)又會西醫(yī)和中西醫(yī)結(jié)合之優(yōu)勢打造高就業(yè)率，深受家長及用人單位歡迎。學院下設(shè)中醫(yī)藥學院、高等護理學院、臨床醫(yī)學院、口腔醫(yī)學院、理工學院、經(jīng)管學院、醫(yī)療美容技術(shù)學院、外國語學院等8個二級學院，開設(shè)49個國家計劃內(nèi)統(tǒng)招專業(yè)，現(xiàn)有在校學生20000余人，教職工近千名。獲省級教學成果、省級精品課程、省級特色專業(yè)、省級教學團隊、省級教學名師、省十三五中醫(yī)藥生物研發(fā)基地等多項榮譽;承擔國家、省、廳(局)等眾多科研項目;擁有全國高等院校唯一的國家級華夏匾額博物館和省級的人體奧妙博物館、中醫(yī)藥博物館等二十八個專業(yè)藝術(shù)展館組成的全國最大校園文載體“力明藝術(shù)宮”和經(jīng)省教育廳、衛(wèi)計委聯(lián)合評審的直屬附屬醫(yī)院。學院創(chuàng)始人王顯明教授，是我國最早一代中西醫(yī)結(jié)合專家，堪稱“泰斗”級人物。他1945年畢業(yè)于哈爾濱醫(yī)科大學，1956年-1959年期間，響應毛主席和周總理號召，參加在上海舉辦的全國首屆西醫(yī)離職學習中醫(yī)研究班(諾貝爾醫(yī)學獎獲得者屠呦呦教授也是同期學員)。他在上個世紀80年代初，編著出版了我國最早的近100萬字的《中醫(yī)內(nèi)科辨證學》，集中了從《黃帝內(nèi)經(jīng)》到《本草綱目》歷代中醫(yī)藥經(jīng)典著作的精華，成為許多中西醫(yī)師的工具書。建校后又主編了全國唯一的全套30余部7000余萬字的《高等院校中西醫(yī)結(jié)合系列教材》。他把畢生心血都奉獻給了祖國的中西醫(yī)結(jié)合醫(yī)教研事業(yè)，為我國中西醫(yī)結(jié)合事業(yè)的發(fā)展做出了開拓性和創(chuàng)新性貢獻。學院現(xiàn)任董事長、法人代表王力一教授，是一名曾兩赴前線參戰(zhàn)的退役軍人。他1970年入伍，曾分別于1979年在廣西前線、1985年在云南老山前線兩次參加對越反擊戰(zhàn)，立功受獎。先后擔任濟南市人大代表、濟南市政協(xié)委員、山東省民營企業(yè)家協(xié)會副會長等職，現(xiàn)任泰安市政協(xié)常委。多次榮獲省市高校系統(tǒng)“優(yōu)秀共產(chǎn)黨員”稱號，獲2018山東省脫貧攻堅先進個人，在國家有關(guān)單位組織的“改革開放40年中國企業(yè)改革獎章和中國改革發(fā)展杰出貢獻企業(yè)”評選中，榮獲“中國工業(yè)榜樣人物”稱號。學院副院長王乙凡，是王力一董事長的兒子。高中畢業(yè)后被送到英國讀書，最終畢業(yè)于世界名牌學府牛津大學，獲教育管理學碩士學位，現(xiàn)任學院副院長，為學院可持續(xù)健康發(fā)展奠定基礎(chǔ)。 2014年，學院在校生突破34000余人，在省政府和教育廳支持下，在泰山腳下征地3000畝，建設(shè)大學新校區(qū)，該項目獲批省政府重點建設(shè)項目。歷時僅14個月，一所投資超20億元、建筑面積42萬平方米、58棟大樓的一期工程已拔地而起，并已投入使用，創(chuàng)造了全國高校建設(shè)史上的奇跡。辦學30多年來年，學院凝練十大顯著特色 (1)新中國第一所民辦特色醫(yī)科大學 (2)全國唯一以傳統(tǒng)醫(yī)學和中西醫(yī)結(jié)合為辦學特色的民辦高校 (3)編輯出版全國高等院校第一部中西醫(yī)結(jié)合教材，填補國家教材的一項空白 (4)2014年突破34000余人，成為全國規(guī)模最大的民辦醫(yī)科大學 (5)2015年，征地3000余畝，在泰安建設(shè)新校區(qū)，成為全國最大規(guī)模最大、環(huán)境最美的民辦大學之一 (6)2003年，開始參與養(yǎng)老醫(yī)教研事業(yè)，已有15年從事醫(yī)養(yǎng)結(jié)合的經(jīng)歷，并取得豐碩業(yè)績 (7)2003年，率先成立山東南丁格爾護理服務有限公司，成為面向海內(nèi)外的人才培訓與外派機構(gòu)。公司即將上市，學院將成為唯一擁有上市公司的民辦高校 (8)創(chuàng)建全國最大的校園文化載體力明藝術(shù)宮，可與全球任何高校媲美校園文化 (9)創(chuàng)新成立中華國醫(yī)小博士研學旅行基地，成為全國唯一國學與國醫(yī)相結(jié)合的研學項目 (10)不忘初心，積極參與公益與扶貧事業(yè)，舉辦全國最大規(guī)模的中醫(yī)藥技術(shù)免費培訓公益活動 30多年來，力明學院先后榮獲有關(guān)部門評選的“中國最具影響力民辦高校”“全國進城務工青年技能培訓先進單位”“全國衛(wèi)生產(chǎn)業(yè)先進單位”“全國誠信示范院校”等稱號。尤其是2018年，又獲得國家文化和旅游部命名的“全國港澳青少年游學基地”稱號(全國唯一獲此殊榮的民辦單位和民辦高校);團中央直屬中國少年兒童發(fā)展服務中心授予的“牽手未來·國醫(yī)書院研學基地”和“紅讀計劃閱讀實踐基地”稱號;獲國家有關(guān)部門評選的“中國工業(yè)榜樣企業(yè)”榮譽稱號。在國家廣電總局和國務院扶貧辦聯(lián)合組織的扶貧公益廣告征集評選中，學院拍攝并選送的《兩個雞蛋》在全國各地推薦的1041部公益影片中榮獲二等獎。展望未來，在學習貫徹“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享”五大發(fā)展理念的基礎(chǔ)上，繼續(xù)堅持創(chuàng)建“國內(nèi)雙一流特色職教名校”的發(fā)展目標，秉承“慎思明辨、博學廣識”的校訓，不斷推進內(nèi)涵建設(shè)，以學科建設(shè)為龍頭，以師資隊伍建設(shè)為根本，提高人才培養(yǎng)、科學研究和社會服務水平，努力創(chuàng)辦中國第一所以傳統(tǒng)醫(yī)學為特色的民辦本科大學。

山東力明科技職業(yè)學院 2021-02-01

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