南京邮电大学黄维院士、解令海教授和凌海峰教授团队InfoMat:用于多时间尺度信息处理的具有可调时间动力学的全物理储备池计算

点击蓝字

关注我们

物理储备池计算(PRC)利用真实的物理器件作为储层，在低训练成本的时空信息处理方面具有显著优势。近年来，不同类型的神经形态器件作为储层(STM, 短程记忆特性)已经应用于PRC，但是这些储层大多数只有受限的时间特征范围比(τmax/τmin, <15)。然而，在开放世界中，外界时空信息通常是复杂且跨时间尺度的。有限的时间特征范围比限制了储层的大小，从而妨碍了储层在多个时间尺度上提取信息，这严重限制了识别的准确性。此外，为了简化算法并减少计算负载，输出层需要器件具备长程记忆特性(LTM)进行权重更新。因此，面向未来PRC芯片的单片三维集成，迫切需要开发具有可调时间动力学的物理器件，即广的时间特征范围比和可重构的STM/LTM特性，以满足PRC中各物理层的计算需求。

面对这一难题，南京邮电大学柔性电子全国重点实验室、材料科学与工程学院、化学与生命科学学院的黄维院士、解令海教授和凌海峰教授团队基于pentacene/ZnO界面势垒的调制效应，报道了具有跨时间尺度信息处理能力的同质集成PRC。作者通过改变栅极电压使得储层展现出了广的时间特征范围比(>10²)。受人类视觉系统中时空信息编码和视觉重构过程的启发，该团队构建了一个仿生障碍物识别系统来辅助视障人士行走。该系统在障碍物类型（100%）和距离（97.2%）识别方面表现出了出色的准确性。这项工作为开发具有多时间尺度信息处理能力的集成PRC系统提供了一条有前景的途径。该工作以题为“All physical reservoir computing system with tunable temporal dynamics for multi-timescale information processing” 在线发表在国际知名学术期刊 InfoMat。黄万鑫硕士和王一如博士后为本文的共同作者，解令海教授和凌海峰教授为本文的通讯作者。

文章主要内容如下：

图1. (A) ZnO OFET的结构图。(B) 不同氧含量ZnO薄膜O 1s峰的XPS光谱拟合。(C) 不同氧含量的ZnO薄膜的Oa、Ob和Oc峰的相对强度。(D) 不同氧含量ZnO薄膜的Zn 2p峰的XPS光谱拟合。(E) ZnO-50%和 (F) ZnO-Ar薄膜的室温吸收光谱。插图显示了薄膜的Tauc plot of (αhν)2 versus photon energy (hν)。(G) 不同氧含量ZnO薄膜的光电子发射截止谱。(H) 不同氧含量ZnO薄膜的价带（VB）结构。(I) pentacene/ZnO-50%和 (J) pentacene/ZnO-Ar界面的能级图。

本文通过控制ZnO薄膜在磁控溅射过程中的氧气和氩气通入速率的比例分别为12:12和24:0制备了ZnO-50%和ZnO-Ar薄膜。文中通过XPS，紫外-可见吸收光谱以及UPS测试分析得出pentacene/ZnO-50%界面由于ZnO-50%薄膜更低的氧空位浓度而具有更低的界面势垒，相反pentacene/ZnO-Ar界面具有更高的界面势垒。这为后续调节器件的电荷捕获和维持能力开辟了操作可能性。

图2. (A) ZnO-50%器件和(B)ZnO-Ar器件的转移曲线。(C) 在编程电压为10 V、15 V和20 V、编程时间为1 s的情况下，ZnO-50%和ZnO-Ar器件的ΔVth的统计比较。在不同脉冲幅值下，(D)ZnO-50%器件和(E)ZnO-Ar器件的EPSC曲线。(F) 从EPSC曲线中提取10 V刺激下ΔIDS随时间的变化。

作者通过回滞窗口和不同幅值单脉冲写入窗口统计对比得出ZnO-50%器件较ZnO-Ar器件具有更弱的电荷俘获能力。此外，通过不同幅值下的EPSC曲线计算表明ZnO-50%器件中被捕获的电子更易返回沟道并与空穴复合，因此ZnO-50%器件的电荷维持能力较短。因此，ZnO-Ar器件由于其更强的电荷捕获和维持能力而表现出LTM。相比之下，ZnO-50%器件表现出STM。

图3. 器件在(A:ZnO-50%, C:ZnO-Ar)电压编程操作期间和之后(B:ZnO-50%，D:ZnO Ar)的示意能级图。(E) ZnO-50%器件和ZnO-Ar器件在脉冲宽度为25、50、100、500和1000 ms、脉冲幅度为10 V时τ的统计比较。(F) τ的范围比与已发表工作的比较。(G) 根据不同脉冲幅度计算的器件的反馈强度。(H) PPF指数的脉冲间隔依赖性。(I) 对4位电压刺激的反应。插图显示了“0111”的序列刺激，其中“1”表示10V，500ms脉冲刺激。(J) 基于PRC仿真的精度与训练时间的函数关系。

 随后，作者通过改变栅极偏压使得ZnO-50%器件展现出了具有显著优势的广的时间特征范围比(>10²), 这提供了映射具有不同时间特征信息的潜力。基于上述讨论，通过利用氧空位对ZnO薄膜能级结构的调节作用，实现了用于储层的ZnO-50%器件和用于输出层的ZnO-Ar器件。由于储层和输出层器件的器件结构相同，同质集成的全PRC可以简化器件制造过程的复杂性。此外，储层和输出层器件的同步制造过程也可以提高PRC性能的稳定性。

图4. (A) 人类视觉系统感知外界时空信息的简化示意图。(B) 障碍物类型和距离识别示意图。(C)由ZnO-50%器件和ZnO-Ar器件组的用于仿生障碍物识别的全PRC系统。(D) 10个重复周期内4位8 Hz脉冲序列响应的统计结果。(E) “0111”序列响应在10个重复周期内从2 Hz到32 Hz的统计结果。(F) 从2 Hz到32 Hz的4位储层状态的可区分输出。(G) 不同距离的障碍物识别精度。(H) 不同障碍物的距离识别精度。

得益于ZnO-50%器件广的时间特征范围比，储层能清晰地区分出2 Hz到32 Hz的4 位脉冲序列。这证明了储层具有有效映射时间信息和空间信息的潜力。因此，受人体视觉系统对外界时空信息识别过程的启发，本文构建了基于全物理储备池计算的仿生障碍物识别系统。该系统在障碍物类型(100%)和距离(97%)的判别中均有着优异的准确率。

结论

通过利用氧空位对ZnO能级结构的调节作用，本文实现了具有可调时间动力学的同质集成PRC。在栅压调节下，广的时间特征宽范围比(>10²)有利于储层在多个时间尺度上从输入信号中有效地提取特征信息，并扩大储层大小。基于该PRC的仿生障碍物识别系统能准确的识别物体和距离。这项工作为开发用于多种场景的集成PRC芯片提供了一种潜在的解决方案。

All Physical Reservoir Computing System with Tunable Temporal Dynamics for Multi-timescale Information Processing

Wanxin Huang, Yiru Wang, Jianyu Ming, Shanshuo Liu, Jing Liu, Jingwei Fu, Haotian Wang, Wen Li, Yannan Xie, Linghai Xie*, Haifeng Ling*, and Wei Huang

DOI:10.1002/inf2.12658

Citation: InfoMat, 2025, e12658

点击文末【阅读原文】查看文章内容

《信息材料（英文）》（InfoMat）是由电子科技大学和Wiley出版集团共同主办的国产金色OA学术期刊，聚焦信息技术与材料、物理、能源、生物传感以及人工智能等新兴交叉领域前沿研究，创刊主编为李言荣院士。《信息材料(英文)》(InfoMat)是由电子科技大学和Wiley出版集团共同主办的国产金色OA学术期刊，聚焦信息技术与材料、物理、能源、生物传感以及人工智能等新兴交叉领域前沿研究，创刊主编为李言荣院士。

● 国产金色OA英文期刊

● 影响因子22.7；CiteScore37.7

● 中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊

● 中国科技期刊卓越行动计划二期项目英文梯队期刊

● 中科院分区材料科学1区期刊

● 收录于DOAJ、SCIE、Scopus、CSCD、CAS、INSPEC等数据库

● 2022、2023、2024年连续3年入选中国最具国际影响力学术期刊（Top5%）

● 2021、2022、2023、2024年连续4年获评已进入世界期刊TOP5%

● 发表原创性研究论文、综述、前瞻性论文

期刊主页：http://www.wileyonlinelibrary.com/journal/infomat

投稿链接：https://mc.manuscriptcentral.com/infomat

编辑部邮箱：editorial@info-mat.org

扫描期刊二维码，查看InfoMat主页

猜你喜欢