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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(jì)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)，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(shí)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?yàn)橄嘧儾牧暇幊虆^(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(shí)現(xiàn)對先前編程區(qū)域的讀取。算術(shù)和邏輯功能的實(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)標(biāo)量加法計(jì)算。同時(shí)由于所設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)設(shè)定一個(gè)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(shí)現(xiàn)各種邏輯功能輸出。 ② 基于器件透射率可調(diào)特性驗(yàn)證其實(shí)現(xiàn)神經(jīng)突觸的可行性。并依托所設(shè)計(jì)人工突觸構(gòu)建人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片，實(shí)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(shí)現(xiàn)的首要功能。為實(shí)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(shí)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(shí)物器件仿真和實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)仿生神經(jīng)突觸的脈沖時(shí)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(jì)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(shí)，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(shí)現(xiàn)了非線性激活函數(shù)的功能。利用上述的單個(gè)神經(jīng)元結(jié)構(gòu)，驗(yàn)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(gè)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(jì)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的每一層結(jié)構(gòu)包括三個(gè)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(gè)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(shí)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(shí)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(jì)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(shí)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

基礎(chǔ)教育科研服務(wù)平臺

一、產(chǎn)品功能及內(nèi)容實(shí)用的科研方法指導(dǎo)類專題文獻(xiàn)推送；常用的寫作模板及相應(yīng)的寫作規(guī)范參考；基于先進(jìn)算法的萬方檢測所提供的學(xué)術(shù)預(yù)審；覆蓋基礎(chǔ)教育各細(xì)分研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)推薦及可視化圖像比較分析，助力于一線科研開題參考；文獻(xiàn)檢索實(shí)現(xiàn)多參數(shù)精確聚類，同時(shí)實(shí)現(xiàn)檢索條件的自主訂閱，主動訂閱后系統(tǒng)在訂閱空間中給出更新提示，以方便用戶對同一熱點(diǎn)主題持續(xù)關(guān)注；基于精選的與基礎(chǔ)教育科研相關(guān)的主流期刊實(shí)現(xiàn)主題分類導(dǎo)航，對于單本期刊可實(shí)現(xiàn)自主訂閱，主動訂閱后系統(tǒng)在訂閱空間中給出更新提示；提供用戶個(gè)人空間對于用戶個(gè)人在本系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生的個(gè)人成果進(jìn)行管理，同時(shí)也對用戶個(gè)人在本系統(tǒng)內(nèi)的訂閱、收藏及使用進(jìn)行記錄，以實(shí)現(xiàn)高可用、無負(fù)擔(dān)的知識管理。二、產(chǎn)品特色從知識服務(wù)的角度上，這一產(chǎn)品真正切入到基礎(chǔ)教育行業(yè)的教育教學(xué)生態(tài)、不同于傳統(tǒng)的數(shù)字圖書館產(chǎn)品，不只是簡單的實(shí)現(xiàn)各類數(shù)據(jù)進(jìn)行查閱，而是將專屬文獻(xiàn)在教研工作這一具體的需求點(diǎn)上提供相對應(yīng)的精準(zhǔn)服務(wù)。產(chǎn)品創(chuàng)新點(diǎn)在于產(chǎn)品針對于基礎(chǔ)教育領(lǐng)域中細(xì)分服務(wù)的教育科研，另外在知識服務(wù)上進(jìn)行功能延伸，既有基礎(chǔ)教育行業(yè)的專屬性，也突出了服務(wù)的功能性和針對性。三、功能介紹（一）科研助手提供三方面的科研服務(wù)：其一為科研指導(dǎo)方法文獻(xiàn)，目前推出五個(gè)類別的指導(dǎo)類文獻(xiàn)： 1.?教育科研方法類； 2.?選題、開題和立項(xiàng)類； 3.?教研論文指導(dǎo)類； 4.?課題報(bào)告類； 5.?關(guān)注小課題研究。其二為常用的寫作規(guī)范（包括各分類體裁的教育教研論文的體例，如調(diào)查報(bào)告、開題報(bào)告、考試評析、學(xué)術(shù)論文等具體的寫作規(guī)范），可以下載到本地供用戶寫作時(shí)參考；寫作規(guī)范功能介紹：按基礎(chǔ)教育科研常見文體提供樣例范文和寫作規(guī)范與模版，在當(dāng)前頁面下可以在線預(yù)覽也可以直接下載到本地使用。其三為相似性檢測，采用先進(jìn)的檢測技術(shù)，實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)全文對比，秉持客觀、公正、精準(zhǔn)、全面的原則，提供多版本、多維度的檢測報(bào)告，檢測結(jié)果精準(zhǔn)詳實(shí)，為科研管理機(jī)構(gòu)、教育領(lǐng)域、出版發(fā)行領(lǐng)域、學(xué)術(shù)個(gè)體等客戶和用戶提供各類學(xué)術(shù)科研成果的相似性檢測服務(wù)。相似性檢測功能介紹：用戶可以采用上傳（支持DOC、DOCX、TXT、RTF格式論文檢測）和粘貼兩種方式對文章進(jìn)行相似性比對，比對結(jié)果可視，并可生成簡明版和詳情版兩種檢測報(bào)告，并提供PDF版簡明報(bào)告和詳細(xì)報(bào)告的下載功能。生成報(bào)告可以在“我的成果－檢測報(bào)告記錄”中查找并進(jìn)入檢測結(jié)果頁面重復(fù)下載。（二）熱點(diǎn)發(fā)現(xiàn) 細(xì)分到基礎(chǔ)教育科研的六大領(lǐng)域（教育研究、學(xué)校管理、教學(xué)研究、健康教育、德育教育、教育裝備）進(jìn)行熱門關(guān)鍵詞分類推送，選中后可按年份進(jìn)行熱點(diǎn)分析；用戶也可以自定義熱點(diǎn)詞，錄入后自動顯示研究趨勢的圖示，包括：相關(guān)研究論文成果統(tǒng)計(jì)分析、相關(guān)的論文貢獻(xiàn)者和機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)。同時(shí)提供開題服務(wù)：根據(jù)用戶輸入或選中的關(guān)鍵字實(shí)現(xiàn)知識脈絡(luò)的比較分析圖解，同時(shí)提供熱詞的推薦以幫教師了解相關(guān)的熱點(diǎn)及研究趨勢，可以幫助教師修訂自己的課題方向。并且提供生成word版的開題報(bào)告。報(bào)告可以在“我的成果－開題報(bào)告記錄”中查找并重復(fù)下載。（三）文獻(xiàn)檢索文獻(xiàn)檢索實(shí)現(xiàn)在全部文獻(xiàn)（期刊文獻(xiàn)、學(xué)位論文、會議論文三類文獻(xiàn)）中按組合條件進(jìn)行檢索，檢索結(jié)果的聚類按類別支持時(shí)間、期刊刊名、作者、作者單位、會議名稱、學(xué)位授予單位等。對最近十次檢索行為進(jìn)行記錄，并可能對其檢索表達(dá)式進(jìn)行收藏和訂閱。收藏和訂閱記錄可以在我的知識庫里找到記錄。文獻(xiàn)檢索結(jié)果頁中單條文獻(xiàn)可以進(jìn)行下載、閱讀、導(dǎo)出和收藏的操作；在當(dāng)前頁面中還可以實(shí)現(xiàn)復(fù)選，并對選中的文獻(xiàn)條目信息進(jìn)行批量導(dǎo)出。（四）期刊導(dǎo)航按現(xiàn)有中小學(xué)數(shù)字圖書館的分類對所收錄期刊進(jìn)行展示，可以進(jìn)行條件篩選，可實(shí)現(xiàn)單刊的主動訂閱，在期刊詳情頁面呈現(xiàn)該刊物的統(tǒng)計(jì)分析，包括主題詞、作者和作者單位；主題詞、作者和作者單位的分析是基于全刊的所有文章來進(jìn)行，按出現(xiàn)頻度提排名前20名的數(shù)據(jù)顯示在圖表中，如果同名作者單位不同默認(rèn)為不同作者。并提供專版呈現(xiàn)征稿信息。（五）課題空間課題空間作為用戶的課題管理空間，是以課題為主要的組織形式呈現(xiàn)在平臺界面上，包括用戶創(chuàng)建的和用戶參與的課題，同時(shí)可以自主創(chuàng)建和管理課題。創(chuàng)建者可以管理和關(guān)閉課題，參與者在授權(quán)范圍內(nèi)可以共享和統(tǒng)計(jì)文檔。這個(gè)模塊可以用于機(jī)構(gòu)下發(fā)課題通知、收繳論文成果，也可以實(shí)現(xiàn)個(gè)人自發(fā)的小課題研究，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)內(nèi)課題參與信息的統(tǒng)計(jì)以及對課題成果數(shù)量的統(tǒng)計(jì)，用于教研機(jī)構(gòu)和學(xué)校進(jìn)行階段性教研總結(jié)時(shí)作為數(shù)據(jù)支持和參考。（六）我的成果我的成果作為用戶的個(gè)人成果管理空間，下設(shè)開題報(bào)告記錄和我的文稿管理和檢測報(bào)告記錄三個(gè)子功能，開題報(bào)告記錄用戶在熱點(diǎn)發(fā)現(xiàn)進(jìn)行熱點(diǎn)分析后生成的開題報(bào)告；可以提供再次下載。我的文稿管理主要功能是用戶自己的文稿上傳到平臺，可以跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)頁面實(shí)現(xiàn)相似性檢測，并生成相似性檢測報(bào)告，對于歷史記錄可查詢、可刪除；檢測報(bào)告記錄是對用戶在本站內(nèi)的所有檢測記錄可查詢、可刪除。（七）我的知識庫我的知識庫是記錄用戶在本站內(nèi)對資源進(jìn)行訂閱、收藏和閱讀下載等行為的管理空間，包括我的訂閱空間、我的收藏記錄、我的使用記錄。訂閱空間實(shí)現(xiàn)文獻(xiàn)及期刊的訂閱及更新提醒；關(guān)注收藏記錄用戶的收藏歷史；使用記錄為用戶實(shí)際閱讀和下載的歷史記錄，可查詢、可刪除。

北京萬方數(shù)據(jù)股份有限公司 2021-08-23

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