基于掺杂纳米线阵列的可重构光电忆阻架构实现存内并行感知与计算

为解决传统冯·诺依曼架构在分布式并行计算中的效率瓶颈及光电感知与存储分离问题，研究人员开发了一种基于In2S3-xAsx纳米线阵列的可重构光电忆阻架构（ROMA），实现了6.819×105秒的超长光导保持时间和9.24 fJ的超低光能耗，成功在单列纳米线上完成12位光信号编码，准确率达92.8%，为高并行度、低功耗的光电计算范式提供了硬件基础。

　　

随着物联网和边缘智能设备的普及，以及大型人工智能模型的广泛应用，数据处理需求呈现爆炸式增长。传统的基于冯·诺依曼架构的集中式计算范式在处理分布式、高并行和低功耗任务时显得力不从心，存在显著的效率瓶颈和能耗问题。尽管机器学习算法在不断优化，但硬件层面的功能集成不足仍是一个主要限制。忆阻器作为一种兼具存储与处理能力的存内计算器件，因其能物理实现矩阵向量乘法（MVM）操作而备受关注。然而，现有的感知单元与忆阻单元之间的物理分离导致了传输瓶颈和计算冗余，尤其是在光信号处理中，虽然光波具有高带宽、低延迟的传输优势，但如何将其高效集成于忆阻架构中仍是一个挑战。

以往的研究大多集中在仿生神经形态视觉传感器上，但这些器件往往存在光导保持能力不足和权重调制困难的问题。现有光电忆阻器多依赖栅极实现持久光导（PPC）和电导调制，这增加了集成复杂度。因此，开发一种具有优异保持特性和可重构调制能力的光电忆阻架构，对于实现高度并行的光电计算具有重要意义。

在这项发表于《National Science Review》的研究中，中国科学院半导体研究所的研究团队提出了一种基于In₂S_3-xAs_x掺杂纳米线阵列的可重构光电忆阻架构（ROMA），实现了光信号的原位感知、存储和计算，为分布式、高并行、低功耗的计算范式提供了新的硬件解决方案。

研究团队通过化学气相沉积（CVD）法制备了In₂S_3-xAs_x纳米线，利用透射电子显微镜（HRTEM）、能量色散X射线光谱（EDS）和拉曼光谱等技术分析了其晶体结构和元素组成；采用二端器件结构（Au/Cr/In₂S_3-xAs_x/Cr/Au）进行光电测试，通过光脉冲和电脉冲调控电导状态；利用开尔文探针力显微镜（KPFM）和原位X射线光电子能谱（XPS）表征表面电位和氧空位状态；基于密度泛函理论（DFT）计算能带结构和晶体轨道哈密顿布居（COHP）；最后集成了单片式纳米线交叉阵列，构建了可重构自由空间光电编码器，并进行了12位光信号编码验证。

RESULTS

Intrinsic characteristics and function of ROMA

ROMA基于In₂S_3-xAs_x纳米线表现出可重构的光电忆阻特性。高分辨TEM显示材料表面存在氧空位（由砷掺杂诱导）和砷掺杂位点，这些氧空位作为深能级缺陷中心（DX中心）是实现持久光导和忆阻行为的关键。器件在光脉冲（30.84 μW·cm^-2，100 ms）写入后可实现超过30种非易失性多级电导状态，并通过电压脉冲（100 ms）实现电导重置。电流-电压（I-V）曲线显示完全对称的巨滞后回线和多个负微分电导（NDC）区域，表明存在复杂的载流子俘获势垒。

Characterization of the optical and electrical properties of In₂S_3-xAs_x

与未掺杂的In₂S₃相比，In₂S_3-xAs表现出卓越的光电保持特性，其特征衰减时间常数τ达6.819×10⁵秒，是目前报道的二端光电忆阻器中的最高值。器件光导可通过光脉冲数量、宽度和电压脉冲幅度灵活调制，且在特定条件（连续光照+高压偏置）下表现出类神经振荡行为。循环耐久性测试（正负电压各100次）和器件间一致性验证表明其具有良好的稳定性和可重复性。砷掺杂量可调节器件在易失与非易失特性之间的转换。

Mechanism analysis of In₂S_3-xAs_x

拉曼光谱和角分辨光谱显示砷掺杂破坏了In₂S₃的晶格对称性。DFT计算表明砷掺杂在价带引入杂质能级，COHP分析证实砷掺杂降低了铟-氧键强度，促进了氧空位形成。原位XPS显示光照后氧空位峰向高结合能移动，表明氧空位被电离（V_O²⁺）。KPFM直接观测到光照后表面电位升高（因V_O²⁺积累），电脉冲后电位降低（因空位被中和）。变温光电测试通过阿伦尼乌斯拟合得到电子俘获势垒为404 meV，符合大晶格弛豫（LLR）模型。

Free space photoelectric encoder based on ROMA

基于ROMA的交叉阵列构建了可重构自由空间光电编码器。将12位二进制光信号分为4个3位组，映射为不同光强的脉冲，存储在单列四个忆阻单元中。通过两次读操作（I_read1和I_read2）结合电脉冲调制，将一维光强信息扩展为二维编码特征，使4096种状态的区分准确率从单读操作的14.4%（仅I_read1）或7.7%（仅I_read2）提升至92.8%。编码输出信号的归一化均方误差（NMSE）显著降低，信噪比（SNR）提高，在二维空间中实现了高区分度。

The free-space optoelectronic encoder based on ROMA for the color image

以油画《戴珍珠耳环的少女》的R、G、B像素点为例，演示了12位光信号编码过程。每个颜色通道的像素值被转换为光脉冲并输入编码器，经电脉冲调制后输出二维模拟信号（I_read1, I_read2）。编码后像素恢复的峰值信噪比（PSNR）达99.65 dB，NMSE为3.6×10^-2，表明编码器具有高精度和稳定性。

CONCLUSION

该研究成功制备了基于In₂S_3-xAs_x纳米线阵列的ROMA，实现了光信号的原位感知、存储和存内计算。其超长光导保持时间、低光能耗和可重构调制特性源于砷掺杂诱导的氧空位及其电子俘获势垒。单片集成编码器通过提升输出数据维度，实现了单列12位光信号的高精度编码。ROMA为分布式、高并行、低功耗的光电计算提供了高效的硬件架构，有望在人工智能、边缘计算等领域发挥重要作用。