Учёные Орегонского университета объединили сенсор, память и обработку сигнала в одном фототранзисторе
Время жизни памяти программируется напряжением — устройство умеет укреплять важное и «забывать» лишнее, как мозг
Технология снижает энергозатраты, отказываясь от постоянной пересылки данных между отдельными компонентами
Главная цель — системы компьютерного зрения, где не каждый сигнал нужно хранить одинаково долго
Исследователи из Орегонского университета (Oregon State University, OSU) создали светочувствительное цифровое запоминающее устройство, которое объединяет функции сенсора, памяти и обработки сигналов в одном фототранзисторе. Разработка способна заметно снизить энергопотребление будущего «железа» для искусственного интеллекта. Устройство создано в Инженерном колледже OSU и описано в журнале Advanced Functional Materials; работу поддержал американский Национальный научный фонд (NSF). Главная его особенность — оно имитирует ключевую способность мозга закреплять важные воспоминания, позволяя менее полезной информации со временем угасать.
Источник изображения — Getty
Почему нынешнее железо для ИИ тратит лишнюю энергию
Современное оборудование для ИИ разделяет три ключевые задачи машинного восприятия — сенсорику, память и обработку — между отдельными компонентами. Из-за этого данные вынуждены постоянно перемещаться туда-сюда, что пожирает энергию и снижает эффективность. Именно эта пересылка между сенсором, памятью и процессором становится одним из главных узких мест в энергоёмких системах.
Разработка OSU переносит обработку ближе к самому сенсору, избавляя от необходимости гонять данные между отдельными блоками: часть работы выполняется прямо там, куда падает свет. «Наше оптоэлектронное устройство открывает новую аппаратную возможность — более эффективно обрабатывать информацию прямо на уровне сенсора», — пояснил Ли-Цзин «Ларри» Чэн (Li-Jing «Larry» Cheng), руководитель проекта и профессор электротехники и информатики Инженерного колледжа OSU.
Как устроен фототранзистор из двух материалов
В основе устройства лежит гибридный органо-неорганический фототранзистор, который соединяет два материала с разными функциями. Канал транзистора, проводящий ток, сформирован из оксидного полупроводника — тонкоплёночного транзистора на основе оксида индия-галлия-цинка (IGZO). Поверх него расположен фоточувствительный органический слой на базе полимера с тетраценом, который поглощает свет и порождает электрические заряды.
На стыке двух материалов образуется гетеропереход второго типа (type-II): рождённые светом электроны уходят в канал IGZO, а «дырки» остаются захваченными в фоточувствительном слое. Даже после того как свет исчезает, эти захваченные заряды продолжают влиять на ток через полупроводниковый канал. По сути, устройство сохраняет память о ранее воспринятом оптическом сигнале.
Память, которую можно «запрограммировать» напряжением
Ключевая особенность в том, что эта память не статична. Подавая небольшое напряжение на затвор, исследователи смещают положение захваченных зарядов относительно канала транзистора. Если заряды подвинуть ближе к каналу, их влияние усиливается и память держится дольше. Если отвести дальше, эффект слабеет и информация угасает быстрее.
Это отдалённо напоминает то, как биологический мозг управляет памятью: там химические сигналы (нейромодуляторы) решают, закрепится воспоминание или сотрётся. В устройстве OSU аналогичную роль играет электрический сигнал, задающий программируемое время жизни памяти. «В отличие от обычной памяти, которая создаётся, чтобы сохранять информацию, наше устройство умеет электронно управлять тем, как воспоминания укрепляются или угасают», — подчеркнул Чэн.
Где это пригодится: зрение роботов, дронов и камер
Подход особенно интересен для нейроморфных вычислений — направления, которое стремится строить вычислительные системы по образу биологических нейронных сетей. Он же вписывается в более широкое движение к «внутрисенсорным» вычислениям (in-sensor computing), когда данные обрабатываются прямо в точке захвата, а не пересылаются на отдельные процессоры и блоки памяти.
Для систем компьютерного зрения и видеонаблюдения с ИИ это означает железо, способное фильтровать, взвешивать и временно хранить визуальную информацию ещё до того, как она дойдёт до обычного процессора. Роботу, дрону, камере наблюдения или беспилотной системе не обязательно сохранять каждый кадр навсегда: что-то важно лишь на пару секунд, что-то — дольше, а что-то должно исчезать почти мгновенно. «Такая светочувствительная память с программируемым временем жизни создаёт настраиваемое временное окно для обработки визуальных и других сигналов прямо там, где они обнаружены, — а это путь к более эффективным системам зрения и сенсорным ИИ-технологиям», — отметил Чэн.
Что дальше
Пока исследование находится на уровне отдельного устройства, поэтому это ещё не готовая замена нынешним ИИ-ускорителям или матрицам камер. Но оно намечает путь к технике, которая позволит будущим системам ИИ меньше зависеть от постоянной пересылки данных между сенсорами, памятью и процессорами. При удачном масштабировании это поможет сделать устройства быстрее, компактнее и экономичнее — особенно в периферийных (edge) системах, где энергоэффективность критична. Над проектом, помимо Ларри Чэна, работала команда исследователей OSU: Ахасан Улла, Тасним Саркер, Сюэцяо Чжан, Эндрю Энсингер, Личжун Чэнь, Рошелл Ламуг и Оксана Островерхова.
