Neuromorfe fotonica/elektronica is de toekomst van ultralow energy intelligent computing en kunstmatige intelligentie (AI). In de afgelopen jaren hebben kunstmatige neuromorfe apparaten, geïnspireerd door het menselijk brein, veel aandacht getrokken, vooral bij het simuleren van visuele waarneming en geheugenopslag. Vanwege de voordelen van hoge bandbreedte, hoge interferentie-immuniteit, ultrasnelle signaaloverdracht en lager energieverbruik, wordt verwacht dat neuromorfe fotonische apparaten realtime respons op invoergegevens realiseren. Bovendien kunnen fotonische synapsen een contactloze schrijfstrategie realiseren, wat bijdraagt ​​aan de ontwikkeling van draadloze communicatie.

Het gebruik van laagdimensionale materialen biedt de mogelijkheid om complexe hersenachtige systemen en geheugenlogicacomputers met een laag vermogen te ontwikkelen. Grootschalige, uniforme en reproduceerbare overgangsmetaal dichalcogeniden (TMD's) vertonen bijvoorbeeld een groot potentieel voor miniaturisatie en biomimetische apparaattoepassingen met een laag vermogen vanwege hun uitstekende eigenschappen voor het opvangen van lading en compatibiliteit met traditionele CMOS-processen. De von Neumann-architectuur met afzonderlijk geheugen en processor leidt tot een hoog stroomverbruik en een lage efficiëntie van traditioneel computergebruik. Daarom kan het sensor-geheugenfusie- of sensor-geheugen-processorintegratie-neuromorfische architectuursysteem voldoen aan de steeds verder ontwikkelende eisen van big data en AI voor een laag stroomverbruik en hoogwaardige apparaten. Kunstmatige synaptische apparaten zijn de belangrijkste componenten van neuromorfe systemen. De prestatie-evaluatie van synaptische apparaten zal helpen om ze verder toe te passen op complexere kunstmatige neurale netwerken (ANN).

Chemische dampafzetting (CVD) gekweekte TMD's introduceren onvermijdelijk defecten of onzuiverheden, vertoonden een aanhoudend fotogeleidingseffect (PPC). TMD's fotonische synapsen die synaptische eigenschappen en optische detectiemogelijkheden integreren, laten grote voordelen zien in neuromorfe systemen voor visuele informatieperceptie en -verwerking met laag vermogen, evenals hersengeheugen.

In een studie gepubliceerd in Opto-Electronic Advances , heeft de onderzoeksgroep voor optische detectie en detectie (GODS) een drie-terminale fotonische synaps gerapporteerd op basis van de grote, uniforme meerlagige MoS2-films. Het gerapporteerde apparaat realiseerde ultrakorte optische pulsdetectie binnen 5 μs en een ultralaag stroomverbruik van ongeveer 40 aJ, wat betekent dat de prestaties veel beter zijn dan de huidige gerapporteerde eigenschappen van fotonische synapsen. Bovendien is het enkele ordes van grootte lager dan de overeenkomstige parameters van biologische synapsen, wat aangeeft dat de gerapporteerde fotonische synaps verder kan worden gebruikt voor complexere ANN. De fotogeleiding van het MoS2-kanaal dat door CVD wordt gekweekt, wordt gereguleerd door een fotostimulatiesignaal, waardoor het apparaat synaptische plasticiteit op korte termijn (STP), synaptische plasticiteit op lange termijn (LTP), gepaarde pulsfacilitatie (PPF) en andere synaptische eigenschappen kan simuleren. Daarom kan de gerapporteerde fotonische synaps menselijke visuele waarneming simuleren en kan de detectiegolflengte worden uitgebreid tot nabij-infraroodlicht.

Als het belangrijkste systeem van menselijk leren, kan het visuele waarnemingssysteem 80% van de leerinformatie van buitenaf ontvangen. Met de voortdurende ontwikkeling van AI is er dringend behoefte aan een visueel waarnemingssysteem met een laag vermogen en een hoge gevoeligheid dat effectief externe informatie kan ontvangen. Bovendien kan deze fotonische synaps, met de assistent van poortspanning, de klassieke Pavloviaanse conditionering en de regulatie van verschillende emoties op het geheugenvermogen simuleren. Positieve emoties verbeteren bijvoorbeeld het geheugen en negatieve emoties verzwakken het geheugen. Bovendien suggereert een significant contrast in de sterkte van STP en LTP op basis van de gerapporteerde fotonische synaps dat het het ingangslichtsignaal kan voorbewerken. Deze resultaten geven aan dat de fotostimulatie en backgate-controle de geleidbaarheid van de MoS2-kanaallaag effectief kunnen reguleren door processen voor het vangen/ontvangen van dragers aan te passen. Bovendien wordt verwacht dat de fotonische synaps die in dit artikel wordt gepresenteerd, detectie-geheugen-preprocessing-mogelijkheden zal integreren, die kunnen worden gebruikt voor real-time beelddetectie en in-situ opslag, en ook de mogelijkheid biedt om het von Neumann-knelpunt te doorbreken.

Neuromorf geheugenapparaat simuleert neuronen en synapsen