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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(dǎo)和功能層（由下到上分為加熱層、電極層、保護(hù)層、相變材料（硫系化合物）層）所構(gòu)成。擬通過在當(dāng)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(dǎo)的方式實現(xiàn)器件的光學(xué)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(dǎo)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(dǎo)。功能層主要用于實現(xiàn)器件的電學(xué)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(dǎo)熱和導(dǎo)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(dāng)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(xué)常數(shù)反差，可在更惡劣的高溫環(huán)境下進(jìn)行操作，適用于硅基光子器件應(yīng)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(xué)編程、光學(xué)讀取的方法實現(xiàn)器件的存儲、算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)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(jìn)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(dǎo)輸入端輸入讀取連續(xù)光。由于相變材料功能層對光強(qiáng)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(dāng)輸入光經(jīng)過波導(dǎo)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(jìn)而顯著改變輸出光強(qiáng)能量。所以通過測量輸入輸出光強(qiáng)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(yīng)加數(shù)的方法實現(xiàn)標(biāo)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(yùn)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(jìn)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(luò)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(xué)習(xí)的神經(jīng)生物學(xué)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(dǎo)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(jìn)行連續(xù)調(diào)控，進(jìn)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(qiáng)度發(fā)生變化，對應(yīng)于乘法器。進(jìn)而借助于微環(huán)結(jié)構(gòu)，將不同波長的脈沖導(dǎo)入進(jìn)同一波導(dǎo)中，該功能類似加法器。相加后的脈沖光強(qiáng)較小時，讀取光與微環(huán)發(fā)生共振，在輸出端口沒有光強(qiáng)輸出。當(dāng)光強(qiáng)達(dá)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(jī)器學(xué)習(xí)和非監(jiān)督式機(jī)器學(xué)習(xí)。對于監(jiān)督式機(jī)器學(xué)習(xí)，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(jī)器學(xué)習(xí)，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(jìn)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(fù)雜的光學(xué)脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，證明該結(jié)構(gòu)的可擴(kuò)展性。擬設(shè)計的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(dǎo)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)?；谏鲜鼋Y(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(xué)編程、光學(xué)讀取”模式的光電混合存算一體化器件。與傳統(tǒng)電學(xué)存算一體化器件相比,擬研發(fā)的器件可以進(jìn)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(diǎn)。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(xué)脈沖刺激、光學(xué)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(bǔ)了光電混合型人工突觸的技術(shù)空白。先進(jìn)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(qiáng)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(xué)性能差異的特點(diǎn)。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(diǎn)，具有高集成度、低功耗、超快響應(yīng)時間、穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。獨(dú)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(dú)有權(quán)。

南京郵電大學(xué) 2021-05-11

河南工業(yè)和信息化職業(yè)學(xué)院

河南工業(yè)和信息化職業(yè)學(xué)院是經(jīng)河南省人民政府批準(zhǔn)、國家教育部備案，由河南省工業(yè)和信息化委員會主管、省教育廳負(fù)責(zé)教學(xué)管理工作的一所公辦全日制?？茖哟纹胀ǜ叩仍盒?。學(xué)院坐落在美麗的太行山南麓、豫西北新興的中國優(yōu)秀山水旅游名城——焦作市。這里山川錦繡、人杰地靈、環(huán)境優(yōu)雅、交通便利，與鄭州隔河相望，鄭焦城際鐵路半小時即可到達(dá)。學(xué)院人文薈萃，師資雄厚，是莘莘學(xué)子成才深造的理想場所。學(xué)院創(chuàng)建于1975年，歷經(jīng)河南省煤礦學(xué)校、焦作煤炭工業(yè)學(xué)校、河南工程技術(shù)學(xué)校、河南理工大學(xué)高等職業(yè)學(xué)院等時期。2013年3月，經(jīng)教育部同意，河南省人民政府批準(zhǔn)，在與河南理工大學(xué)剝離的基礎(chǔ)上，設(shè)置河南工業(yè)和信息化職業(yè)學(xué)院。建校四十多年來，學(xué)院經(jīng)歷了艱苦創(chuàng)建、穩(wěn)步推進(jìn)、強(qiáng)化建設(shè)、快速發(fā)展四個階段，共培養(yǎng)了5萬余名優(yōu)秀畢業(yè)生，涌現(xiàn)出了眾多的杰出人才。他們中有省、市、縣黨政領(lǐng)導(dǎo)干部，有知名學(xué)者、專家、教授，有眾多省管優(yōu)秀企業(yè)家和全國“雙十佳”礦長，更有大量扎根基層,奮斗在各條戰(zhàn)線上的基層領(lǐng)導(dǎo)和技術(shù)中堅。他們在各自的崗位上，用青春和智慧譜寫了一曲曲壯麗的理想之歌，描繪出了一張張美麗的人生畫卷，為國家建設(shè)和地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)，學(xué)院也贏得了煤炭行業(yè)“黃埔軍校”的美譽(yù)。目前，在校生六千多人。近年來，學(xué)院相繼獲得河南省文明單位、河南省文明標(biāo)兵學(xué)校、河南省示范性職業(yè)學(xué)校、河南省職業(yè)指導(dǎo)與就業(yè)服務(wù)先進(jìn)單位，全省學(xué)校行風(fēng)建設(shè)先進(jìn)單位、河南省職業(yè)教育攻堅工作先進(jìn)單位、全國煤炭行業(yè)教育工作先進(jìn)單位、全國煤炭系統(tǒng)文明單位、河南省煤炭系統(tǒng)職業(yè)教育先進(jìn)集體、2015年度中原最具成長力高職院校、焦作市五好基層黨組織等榮譽(yù)稱號。2017年學(xué)校被評為河南省職業(yè)教育特色院校。學(xué)院占地面積777.03畝，建筑面積20余萬平方米，教學(xué)科研儀器設(shè)備總價值4818萬元，多媒體教室99個，館藏圖書52萬冊，期刊2988種。擁有物流沙盤實訓(xùn)室、會計手工記賬室、創(chuàng)客中心、電氣控制、西門子PLC實訓(xùn)室、工業(yè)機(jī)器人實訓(xùn)室、計算機(jī)中心、電子商務(wù)實訓(xùn)室、標(biāo)準(zhǔn)語音室、數(shù)控機(jī)床加工、珠寶鑒定實訓(xùn)室等具有真實職業(yè)氛圍和產(chǎn)學(xué)研一體化功能的現(xiàn)代化校內(nèi)實驗實訓(xùn)室97個，建有穩(wěn)定的校外實訓(xùn)基地49個，實驗實訓(xùn)開出率為100%。學(xué)院現(xiàn)設(shè)資源環(huán)境系、機(jī)械工程系、電氣工程系、土木工程系、信息工程系、財經(jīng)商貿(mào)系、基礎(chǔ)部、思政部、體育部、中專部和繼續(xù)教育學(xué)院等11個教學(xué)系部(院)，開設(shè)電子商務(wù)、物流管理、計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)、動漫制作技術(shù)、建筑工程技術(shù)、工程造價、機(jī)電一體化技術(shù)、電氣自動化技術(shù)、工程測量技術(shù)、煤礦開采技術(shù)等33個專業(yè)及方向，圍繞工業(yè)和信息化正在建設(shè)資源環(huán)境與安全、裝備制造、土木建筑、電子信息、財經(jīng)商貿(mào)等五大專業(yè)群。學(xué)院師資力量雄厚，現(xiàn)有專任教師316人，其中副教授以上職稱58人，中級職稱110人;具有碩士學(xué)位教師159人，研究生學(xué)歷84人，“雙師型”教師比例達(dá)70%;有省廳級學(xué)術(shù)技術(shù)(學(xué)科)帶頭人13名、省廳級骨干教師4名;有院級學(xué)術(shù)技術(shù)帶頭人29名、院級骨干教師38名、院級教學(xué)名師20名、教學(xué)標(biāo)兵27名、教學(xué)能手35名;另外還聘請中國工程院院士張鐵崗等知名專家教授24人，企業(yè)兼職教師35人，形成了一支專兼結(jié)合、師德高尚、學(xué)術(shù)水平高、創(chuàng)新能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)合理的教學(xué)團(tuán)隊。學(xué)院學(xué)術(shù)氛圍濃厚，教科研成果豐碩。近年來，我校教師在各級各類刊物上發(fā)表論文600余篇，其中核心期刊48篇、EI收錄論文22篇;出版各類教材、著作117部;獲得省市級相關(guān)課題研究獎225項、省市級優(yōu)秀成果評選獎67項。學(xué)院是中國煤炭教育協(xié)會常務(wù)理事單位，全國煤炭職業(yè)教育教學(xué)指導(dǎo)委員會委員單位，河南省工業(yè)和信息化校企合作聯(lián)盟常務(wù)副主任單位、秘書長單位，河南省職業(yè)技術(shù)教育學(xué)會理事單位及實訓(xùn)基地建設(shè)工作委員會、就業(yè)工作委員會會員單位，河南省煤炭行業(yè)職業(yè)教育校企合作指導(dǎo)委員會常務(wù)副主任單位、秘書長單位，全民技能振興工程職業(yè)院校師資培養(yǎng)培訓(xùn)示范基地，河南省電子商務(wù)職業(yè)教育實訓(xùn)基地。在長期的辦學(xué)過程中，學(xué)院始終堅持社會主義辦學(xué)方向，育人為本、德育為先，以服務(wù)為宗旨、以就業(yè)為導(dǎo)向、走產(chǎn)教融合的發(fā)展道路。大力推行校企合作、工學(xué)結(jié)合，不斷深化教育教學(xué)改革，強(qiáng)化學(xué)生職業(yè)素質(zhì)和職業(yè)能力的培養(yǎng)，促進(jìn)了學(xué)生素質(zhì)的全面提升。學(xué)院培養(yǎng)的畢業(yè)生思想素質(zhì)高，業(yè)務(wù)能力強(qiáng)，一直供不應(yīng)求，深受用人單位歡迎和好評。學(xué)院2016年委托第三方機(jī)構(gòu)——河南省教育評估中心對我院2016屆畢業(yè)生就業(yè)質(zhì)量調(diào)查數(shù)據(jù)顯示：我院畢業(yè)生平均薪酬是3790.93元/月，就業(yè)崗位與所學(xué)專業(yè)的相關(guān)度達(dá)到82.69%，學(xué)生雙證獲取率100%。經(jīng)過四十多年的積淀，逐步形成了“嚴(yán)謹(jǐn)勤奮、明德善學(xué)”的校風(fēng),“自強(qiáng)博學(xué)、唯實創(chuàng)新”的校訓(xùn),“敬業(yè)篤學(xué)、厚生樂教”的教風(fēng)和“好學(xué)深思、知行合一”的學(xué)風(fēng)。近年來，學(xué)院十分重視學(xué)生職業(yè)素質(zhì)和能力的培養(yǎng)，在省級以上職業(yè)技能大賽中，先后獲得第六屆全國信息技術(shù)大賽最佳組織獎1項，個人二等獎2項;首屆中國青年APP大賽河南分賽優(yōu)秀組織獎和創(chuàng)意一等獎;中國大學(xué)生計算機(jī)設(shè)計大賽河南省級賽二等獎;河南省電子專業(yè)人才設(shè)計與技能大賽電子組裝組二等獎;全國職業(yè)院校技能大賽高職組河南選拔賽測繪賽綜合二等獎;全國職業(yè)院校英語口語大賽河南賽區(qū)選拔賽二等獎;第四屆全國煤炭行業(yè)職業(yè)院校技能大賽高職組煤礦綜采電氣控制項目二等獎;第二屆“中國創(chuàng)翼”青年創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽“金翼獎”;第二屆全國建設(shè)類院校施工技術(shù)應(yīng)用技能大賽總冠軍。春華秋實譜新篇，桃李芬芳遍神州。古老而年輕，深邃而睿智的河南工業(yè)和信息化職業(yè)學(xué)院在新的征程上，將跨上時代的高鐵，奮起直追，實現(xiàn)新的超越，創(chuàng)造新的燦爛與輝煌，為早日把學(xué)校建成在同類院校中有重要影響、在國內(nèi)有一定知名度的特色鮮明的示范性職業(yè)院校而努力奮斗!

河南工業(yè)和信息化職業(yè)學(xué)院 2021-02-01

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