氧化物全光控突触研究进展

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作者 单海 应宏微 +4 位作者 程培红 胡令祥 王敬蕊 叶志镇 诸葛飞 《发光学报》 北大核心 2025年第2期245-259,共15页

类脑神经形态计算有望克服传统冯·诺依曼计算架构瓶颈,实现低功耗、高效信息处理,进而推动人工智能技术的发展。人工突触是构建神经形态系统的关键硬件,其中光电突触结合了电子学和光子学优势,具有光学感知、信息计算和存储等多种... 类脑神经形态计算有望克服传统冯·诺依曼计算架构瓶颈,实现低功耗、高效信息处理,进而推动人工智能技术的发展。人工突触是构建神经形态系统的关键硬件,其中光电突触结合了电子学和光子学优势,具有光学感知、信息计算和存储等多种功能。新兴的全光控光电突触,其电导非易失性增大和降低均通过光信号实现,可有效避免电信号对器件微结构的破坏,改善工作稳定性,并且赋予突触器件新的功能。氧化物易制备,与CMOS工艺兼容性好,是使用最广泛的人工突触材料。本文梳理了具有长程可塑性的氧化物全光控突触器件研究进展,分别讨论了基于光波长和光功率调控的全光控突触,主要聚焦器件结构、材料选择和光电响应机制,最后分析了当前全光控突触发展面临的挑战。 展开更多

关键词 神经形态计算 光电突触 全光控突触 长程可塑性 氧化物

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面向新一代智能视觉的光电忆阻器研究进展 被引量：1

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作者 诸葛霞 诸葛飞 《中国材料进展》 CAS CSCD 北大核心 2023年第8期614-624,共11页

基于冯·诺依曼计算架构和互补金属氧化物半导体(complementary oxide semiconductor,CMOS)技术的传统人工视觉系统,因其图像感知、存储和处理单元物理分离,在集成度、能耗、处理效率等方面均面临挑战。受生物视觉系统的启发,基于... 基于冯·诺依曼计算架构和互补金属氧化物半导体(complementary oxide semiconductor,CMOS)技术的传统人工视觉系统,因其图像感知、存储和处理单元物理分离,在集成度、能耗、处理效率等方面均面临挑战。受生物视觉系统的启发,基于光电忆阻器的神经形态视觉系统可实现感/存/算共融,并具有视觉信息的并行处理功能,因此是新一代智能视觉的重要发展方向。该系统不仅能够模拟视网膜的功能,包括直接响应光信号、完成对比度增强及降噪等图像预处理工作,而且能够模拟大脑视皮层的功能,对图像进行识别、分类等,完成感知任务。对光电忆阻器件的研究进展及其在人工视觉系统中的应用进行了总结。首先概述了忆阻器的特征;其次综述了光电忆阻器件的研究进展,包括材料、结构、工作机理、突触功能模拟等;再次介绍了光电忆阻器在人工视觉系统中的应用;最后总结了光电忆阻器研究面临的困难以及未来发展趋势。 展开更多

关键词 忆阻器 光电器件 人工视觉 神经形态系统 图像处理

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一种高效的Softmax函数计算方法及硬件电路

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作者 刘海莹 乔瑞秀 +2 位作者 陈刚 鲁华祥 申荣铉 《微电子学与计算机》 2024年第2期91-100,共10页

针对现有Softmax函数硬件实现中存在的面积消耗大、速度慢、计算效率低等问题,设计一种高效的Softmax函数计算方法及硬件电路。提出一种稀疏化最大值计算方式,仅选择有效的输入值进行计算和存储,并采用动态移位更新最大值的方式将最大... 针对现有Softmax函数硬件实现中存在的面积消耗大、速度慢、计算效率低等问题,设计一种高效的Softmax函数计算方法及硬件电路。提出一种稀疏化最大值计算方式,仅选择有效的输入值进行计算和存储,并采用动态移位更新最大值的方式将最大值求取隐藏在流水线中,提高计算效率;优化分段线性拟合算法,避免乘法器的使用,减少了硬件资源开销。基于现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array,FPGA)的语音识别实验的结果表明,本方法减少了60%的指数存储需求,同时减少了50%的Softmax计算时间。在45 nm互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)工艺下的逻辑综合实验表明,所实现的Softmax函数相较之前的工作,电路综合性能提升14%,面积减小51%。 展开更多

关键词 Softmax函数 分段线性拟合 稀疏计算方式 深度神经网络

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基于深度确定性策略梯度的粒子群算法 被引量：5

4

作者 鲁华祥 尹世远 +2 位作者 龚国良 刘毅 陈刚 《电子科技大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第2期199-206,共8页

在传统的粒子群优化算法(PSO)中,所有粒子都遵循最初设定的一些参数进行自我探索,这种方案容易导致过早成熟,且易被困于局部最优点。针对以上问题,该文提出了一种基于深度确定性策略梯度的粒子群优化算法(DDPGPSO),通过构造神经网络分... 在传统的粒子群优化算法(PSO)中,所有粒子都遵循最初设定的一些参数进行自我探索,这种方案容易导致过早成熟,且易被困于局部最优点。针对以上问题,该文提出了一种基于深度确定性策略梯度的粒子群优化算法(DDPGPSO),通过构造神经网络分别实现了动作函数和动作价值函数,且利用神经网络可以动态地生成算法运行所需要的参数,降低了人工配置算法的难度。实验表明DDPGPSO相比9种同类算法在收敛速度和寻优精度上均有较大的提升。 展开更多

关键词 自适应惯性权值 收敛因子 深度确定性策略梯度算法 强化学习 群体智能 粒子群优化算法

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一种高性能可重构深度卷积神经网络加速器 被引量：6

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作者 乔瑞秀 陈刚 +1 位作者 龚国良 鲁华祥 《西安电子科技大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2019年第3期130-139,共10页

由于深度卷积神经网络的卷积层通道规模及卷积核尺寸多样,现有加速器面对这些多样性很难实现高效计算。为此,基于生物脑神经元机制提出了一种深度卷积神经网络加速器。该加速器拥有类脑神经元电路的多种分簇方式及链路组织方式,可以应... 由于深度卷积神经网络的卷积层通道规模及卷积核尺寸多样,现有加速器面对这些多样性很难实现高效计算。为此,基于生物脑神经元机制提出了一种深度卷积神经网络加速器。该加速器拥有类脑神经元电路的多种分簇方式及链路组织方式,可以应对不同通道规模。设计了3种卷积计算映射,可以应对不同卷积核大小;实现了局部存储区数据的高效复用,可大量减少数据搬移,提高了计算性能。分别以目标分类和目标检测网络进行测试,该加速器的计算性能分别达498.6×10^9次/秒和571.3×10^9次/秒;能效分别为582.0×10^9次/(秒·瓦)和651.7×10^9次/(秒·瓦)。 展开更多

关键词 深度神经网络 加速器 可重构结构 高性能 超大规模集成电路

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基于改进SIFT-ICP算法的物体点云建模方法 被引量：6

6

作者 于灏 杜华军 +3 位作者 蔡莹皓 鲁涛 王睿 王硕 《高技术通讯》 EI CAS 北大核心 2019年第8期750-757,共8页

为了实现对任意摆放的物体的识别与位姿估计,需要得到物体的三维模型,提出了一种高效准确的物体三维点云模型构建方法。首先通过RGB-D传感器获取物体多角度数据,然后利用尺度不变特征变换(SIFT)特征点匹配和改进的迭代最近点(ICP)算法... 为了实现对任意摆放的物体的识别与位姿估计,需要得到物体的三维模型,提出了一种高效准确的物体三维点云模型构建方法。首先通过RGB-D传感器获取物体多角度数据,然后利用尺度不变特征变换(SIFT)特征点匹配和改进的迭代最近点(ICP)算法计算出各角度下传感器的相对位姿,进而生成目标物体所在场景的完整点云,并通过物体分割和点云后处理得到目标物体的三维点云模型。实验结果显示,构建的物体点云模型清晰且不失真,并保留了表面完整的特征信息。 展开更多

关键词 点云模型 尺度不变特征变换(SIFT) 迭代最近点(ICP) 物体分割

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植入式光电极器件发展 被引量：3

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作者 李亚民 王阳 +3 位作者 陈弘达 王毅军 刘媛媛 裴为华 《物理化学学报》 SCIE CAS CSCD 北大核心 2020年第12期12-23,共12页

光遗传技术为神经科学研究提供了一种可精准、快速控制单个神经元活动的手段。为了对神经元实现光遗传调控,将光安全、高效地导入脑内,需要专门的光电极(Optrode)给予支持。光电极是光遗传工具应用的重要组成部分,其功能是把光导入脑内... 光遗传技术为神经科学研究提供了一种可精准、快速控制单个神经元活动的手段。为了对神经元实现光遗传调控,将光安全、高效地导入脑内,需要专门的光电极(Optrode)给予支持。光电极是光遗传工具应用的重要组成部分,其功能是把光导入脑内调控神经元活动,同时记录神经元电信号在光调控下变化情况的一种植入式神经接口器件。随着光遗传技术在神经环路、认知与记忆等神经科学研究中应用的深入,以及其在癫痫、感官功能损伤等疾病治疗方面的探索,与光遗传技术相配合的光电极从材料选择、器件结构、给光方式和集成工艺等方面都呈现出百花齐放的发展态势,本文将按照现有植入式光电极的结构特点,将光电极器件分成基于波导型和基于微发光二极管型两大类,论述不同类别光电极器件优缺点及演进方向,对未来植入式光电极的理想结构形态及亟待解决的问题进行了讨论和展望。 展开更多

关键词 光遗传 光电极 动作电位 光波导 微发光二极管

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一种面向卷积神经网络加速器的高性能乘累加器 被引量：3

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作者 孔鑫 陈刚 +2 位作者 龚国良 鲁华祥 毛文宇 《西安电子科技大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第4期55-63,93,共10页

针对现有卷积神经网络加速器中的乘累加器普遍存在的面积大、功耗高、速度慢的问题,设计了一种基于传输门结构的全定制高性能乘累加器。提出了一种适用于乘累加器的新型累加数据压缩结构,减少了硬件开销;提出了一种新的并行加法器架构,... 针对现有卷积神经网络加速器中的乘累加器普遍存在的面积大、功耗高、速度慢的问题,设计了一种基于传输门结构的全定制高性能乘累加器。提出了一种适用于乘累加器的新型累加数据压缩结构,减少了硬件开销;提出了一种新的并行加法器架构,在与Brent Kung加法器相同硬件开销的情况下,降低了门延迟级数,提高了计算速度;利用传输门的优点对乘累加器各单元电路进行优化设计。基于笔者方法设计的16乘8定点数高性能乘累加器在SMIC 130nm tt工艺角下关键路径延迟为1.173ns,版图面积为9049.41μm2,800MHz下平均功耗为4.153mW。对比传统的乘累加器,速度约提高了37.42%,面积约减小了47.87%,在同等条件下功耗约降低了56.77%。 展开更多

关键词 乘累加器 传输门 累加压缩 卷积神经网络 高性能

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CCNet:面向多光谱图像的高速船只检测级联卷积神经网络（英文） 被引量：4

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作者 张忠星 李鸿龙 +4 位作者 张广乾 朱文平 刘力源 刘剑 吴南健 《红外与毫米波学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2019年第3期290-295,共6页

针对实现遥感图像中船只目标的快速检测提出了一个采用多光谱图像、基于级联的卷积神经网络(CNN)船只检测方法CCNet.该方法所采用两级级联的CNN依次实现感兴趣区域(ROI)的快速搜索、基于感兴趣区域的船只目标定位和分割.同时采用含有更... 针对实现遥感图像中船只目标的快速检测提出了一个采用多光谱图像、基于级联的卷积神经网络(CNN)船只检测方法CCNet.该方法所采用两级级联的CNN依次实现感兴趣区域(ROI)的快速搜索、基于感兴趣区域的船只目标定位和分割.同时采用含有更多细节信息的多光谱图像作为 CCNet 的输入能够提升网络提取特征鲁棒性从而使得检测更加精确.基于 SPOT 6 卫星多光谱图像的实验表明与当前主流的深度学习船只检测方法相比该方法能够在实现高检测精准度的基础上将检测速度提高 5 倍以上. 展开更多

关键词 船只检测 遥感图像处理 卷积神经网络 多光谱图像

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用于实时目标检测的高速可编程视觉芯片 被引量：3

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作者 李鸿龙 杨杰 +4 位作者 张忠星 罗迁 于双铭 刘力源 吴南健 《红外与激光工程》 EI CSCD 北大核心 2020年第5期185-194,共10页

视觉芯片是一种高速、低功耗的智能视觉处理系统芯片,在生产生活中有广阔的应用前景。文中提出了一种新型的可编程视觉芯片架构,该架构的设计考虑了传统计算机视觉算法和卷积神经网络的运算特点,使其能够同时高效地支持这两类算法。该... 视觉芯片是一种高速、低功耗的智能视觉处理系统芯片,在生产生活中有广阔的应用前景。文中提出了一种新型的可编程视觉芯片架构,该架构的设计考虑了传统计算机视觉算法和卷积神经网络的运算特点,使其能够同时高效地支持这两类算法。该视觉芯片集成了可编程的多层次并行处理阵列、高速数据传输通路和系统控制模块,并采用65 nm标准CMOS工艺制程流片。测试结果表明:视觉芯片在200 MHz系统时钟下达到413GOPS的峰值运算性能,能够高效地完成包括完成人脸识别、目标检测等多种计算机视觉和人工智能算法。该视觉芯片在可编程度、运算性能以及能耗效率等方面都大大超越了其他视觉芯片。 展开更多

关键词 视觉芯片 目标检测 卷积神经网络 可编程阵列

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ZnO全光控忆阻器及其类突触行为 被引量：2

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作者 杨静 卢焕明 +1 位作者 叶羽敏 诸葛飞 《材料科学与工程学报》 CAS CSCD 北大核心 2021年第3期393-397,共5页

本研究基于ZnO制备了一种全光控忆阻器,短波光照射可增大器件电导,长波光则可降低电导,并且电导态可以长时间保持。因此,通过改变施加光信号的波长,可实现忆阻器电导的可逆调控。基于以上特性,该器件可以模拟突触基本功能,包括长程增强... 本研究基于ZnO制备了一种全光控忆阻器,短波光照射可增大器件电导,长波光则可降低电导,并且电导态可以长时间保持。因此,通过改变施加光信号的波长,可实现忆阻器电导的可逆调控。基于以上特性,该器件可以模拟突触基本功能,包括长程增强与长程抑制、光功率密度依赖可塑性、频率依赖可塑性以及学习-遗忘-再学习的经验学习行为。与电相比,光具有高带宽、低串扰、速度快等优势,并且不改变器件微结构,因此全光控忆阻器有望应用于类脑智能系统的构建。 展开更多

关键词 忆阻器 全光控 ZNO 突触可塑性

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基于DCORDIC算法的Tanh函数硬件设计与实现 被引量：2

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作者 吴绮 金楚丰 +2 位作者 陈刚 鲁华祥 陈旭 《微电子学与计算机》 北大核心 2020年第12期22-26,32,共6页

双曲正切函数(Tanh)在神经网络中经常被用作激活函数,而其非线性的特点导致难以用硬件电路直接计算实现.为了快速有效的实现Tanh函数,提出采用DCORDIC(Differential Coordinate Rotation Digital Computer)算法在不同模式下实现双曲正... 双曲正切函数(Tanh)在神经网络中经常被用作激活函数,而其非线性的特点导致难以用硬件电路直接计算实现.为了快速有效的实现Tanh函数,提出采用DCORDIC(Differential Coordinate Rotation Digital Computer)算法在不同模式下实现双曲正弦、双曲余弦函数和除法运算,并在设计中增加选择模块扩大输入数据的范围,最终设计实现的Tanh计算核具有超长流水线,当迭代次数为13时,计算误差在2-8以内.与现有的硬件实现方式相比,本文的实现方式具有更小的误差、更高的运算速度和更大的吞吐率. 展开更多

关键词 双曲正切函数 DCORDIC算法 流水线 吞吐率

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一种面向室内环境变动的人员目标无源定位算法 被引量：2

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作者 刘嘉伟 毛文宇 鲁华祥 《哈尔滨工业大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第8期39-48,124,共11页

现有的基于接收信号强度(RSS)的人员目标无源室内定位算法在定位环境变动的情况下难以兼顾人工工作量、时间消耗和定位准确率。针对这个问题,本文提出了基于迁移聚类和坐标融合的变分自编码器(FusVAE)的室内环境变动下人员目标无源定位... 现有的基于接收信号强度(RSS)的人员目标无源室内定位算法在定位环境变动的情况下难以兼顾人工工作量、时间消耗和定位准确率。针对这个问题,本文提出了基于迁移聚类和坐标融合的变分自编码器(FusVAE)的室内环境变动下人员目标无源定位算法。在环境变动后,采集少量无标签RSS样本,然后使用本文提出的基于度量学习的半监督模糊C均值聚类(SFCMML)对其进行精确聚类和标签标注,对原有的定位模型进行重训练,只需很小的人工和时间代价就可以使原定位模型在新环境下也具有较高的定位准确率。同时,针对变动后环境下采集RSS样本较少的问题,本文提出了基于坐标融合的变分自编码器(FusVAE),对新环境下的RSS样本进行数据增强,丰富了RSS样本的数量和质量,提高了定位模型的泛化能力。实验结果表明,在环境变动的情况下,本文提出的算法的平均定位准确率可达88.6%,和同领域同类型算法相比,具有较高的定位精度和较好的环境变动适应性,更适用于变动环境下的人员目标无源室内定位问题。 展开更多

关键词 无源室内定位 RSS 机器学习 迁移学习 变分自编码器

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机器学习在神经精神疾病诊断及预测中的应用 被引量：7

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作者 文宏伟 陆菁菁 何晖光 《协和医学杂志》 2018年第1期19-24,共6页

多模态磁共振神经影像技术的发展为大脑工作原理研究及脑部疾病早期诊断提供了新的手段。当前多数神经精神性疾病的诊断仅依据其临床症状,缺少客观的神经影像生物学标志物。传统的基于组间比较的单变量分析仅能在组间水平进行推断,无法... 多模态磁共振神经影像技术的发展为大脑工作原理研究及脑部疾病早期诊断提供了新的手段。当前多数神经精神性疾病的诊断仅依据其临床症状,缺少客观的神经影像生物学标志物。传统的基于组间比较的单变量分析仅能在组间水平进行推断,无法提供个体水平的诊断和预测,临床应用价值非常有限。机器学习技术可在不同水平对神经影像进行计算分析和研究,发现其中规律从而有效预测和分类未知数据,找出与脑疾病高度相关的脑区特征,提供个体水平的诊断并探测脑疾病的病理生理机制。本文对基于机器学习的神经影像分析步骤及机器学习在神经精神疾病智能诊断及预测研究中的应用进行综述,并对未来研究发展进行展望。 展开更多

关键词 机器学习 磁共振成像 神经精神疾病 分类预测 个体诊断

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一种基于双目视觉的卫星相对位姿测量方法 被引量：1

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作者 邓爽 王波 董秋雷 《空间控制技术与应用》 CSCD 北大核心 2020年第6期50-55,共6页

卫星位姿测量技术是与航天飞行器相关的空间操控活动中一项核心的支撑技术.考虑到太空环境中光源单一,且卫星表面一般为反光材质,提出了一种基于双目视觉的卫星相对位姿测量方法.在卫星面板标志点可见时,本文方法利用卫星对接环外环和... 卫星位姿测量技术是与航天飞行器相关的空间操控活动中一项核心的支撑技术.考虑到太空环境中光源单一,且卫星表面一般为反光材质,提出了一种基于双目视觉的卫星相对位姿测量方法.在卫星面板标志点可见时,本文方法利用卫星对接环外环和卫星面板标志点测量卫星相对位姿.在卫星距离对接目标较近,无法观测到卫星面板标志点时,本文方法利用ORB特征点匹配测量位姿.为了增强鲁棒性,本方法还利用光流追踪法和卡尔曼滤波器优化位姿测量的结果.仿真实验结果表明,本方法能够在光源单一背景下对任意种类的卫星在对接过程中进行准确的位姿测量. 展开更多

关键词 卫星 对接 双目视觉 位姿测量

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具有短程抑制特性的超低功耗全碳质子突触器件

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作者 徐慧文 竺臻楠 +6 位作者 胡令祥 李俊 俞家欢 卢焕明 张莉 王敬蕊 诸葛飞 《材料科学与工程学报》 CAS CSCD 北大核心 2022年第3期396-405,483,共11页

短程突触可塑性保证了对神经形态计算系统中神经信息处理和短程记忆的动态调节。短程易化特性(STF)在多种人工突触器件中被广泛报道,与之相比短程抑制特性(STD)的研究则进展缓慢,仅有为数不多的器件表现出STD特性,并且其单个刺激下的功... 短程突触可塑性保证了对神经形态计算系统中神经信息处理和短程记忆的动态调节。短程易化特性(STF)在多种人工突触器件中被广泛报道,与之相比短程抑制特性(STD)的研究则进展缓慢,仅有为数不多的器件表现出STD特性,并且其单个刺激下的功耗比生物突触(1~10 fJ)高出许多。本研究提出了一种室温下通过溶液法制备的新型石墨烯/氧化石墨烯/石墨烯(G/GO/G)质子突触器件,该器件在几十毫伏的连续脉冲电压刺激下表现出电导逐渐下降的特性,这种特性源于质子在GO/G界面处连续积累导致的逐渐增强的反向质子电流。G/GO/G器件可以很好地模拟STD突触特性。由于操作电压和电流极小,器件单个刺激下的最低功耗可低至几十阿焦,此超低功耗特性有助于解决散热问题从而实现高度集成的神经形态电路。因此,全碳结构器件在脑内植入神经假体领域有很好的应用前景。 展开更多

关键词 人工突触 氧化石墨烯 全碳 超低功耗 短程抑制

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