近期，美國俄勒岡州立大學 研發出一種新型成像傳感器，不僅可在探測光線的同時進行圖像存儲（近期光照信息），還能實現信息的按需 “ 遺忘 ” 。
受人腦突觸機制啓發，研究人員利用有機層捕獲光生空穴，通過電壓調節記憶時長：正電壓加速遺忘、負電壓則延長記憶至小時級，同一硬件可通過調節記憶時長適配不同視覺任務。
它能夠直接在傳感器端完成部分基礎計算，從源頭減少數據搬運。之所以能夠實現這種效果，原因在於有機吸光層與氧化銦鎵鋅（ IGZO ）晶體管組合，實現光吸收（有機層）與電荷輸運（ IGZO 溝道）功能分離，省去了 “ 傳感器 - 內存 - 處理器 ” 間的頻繁數據傳輸，有望大幅降低機器人視覺能耗。
這種新型傳感器可通過光電協同調製，靈活編程其自身的學習、記憶和遺忘行爲，爲未來提升機器人、無人機以及邊緣 AI 設備的視覺系統效率奠定了基礎。相關論文發表在 Advanced Functional Materials 上 [1] 。
圖丨相關論文（來源： Advanced Functional Materials ）
當下，數碼相機依賴互補金屬氧化物半導體（ CMOS ）或電荷耦合器件（ CCD ），將光子轉換爲電子。然而，這些器件本身無法存儲圖像，數據必須先傳輸到內存中，才能進一步進行處理。
“ 傳統的相機傳感器在捕捉圖像後，除非將信息傳輸到單獨的存儲組件，否則會立即忘記圖像內容。 ” 俄勒岡州立大學 Larry Cheng 助理教授對媒體表示， “ 我們的設備可以識別並記住圖像，更重要的是，它還能逐漸遺忘圖像。這種逐漸遺忘的特性是該設備的關鍵且重要的組成部分。 ”
圖丨 Li-Jing （ Larry ） Cheng （來源： https://engineering.oregonstate.edu/people/larry-cheng ）
在傳統的馮 ·諾依曼計算架構中，存儲與處理單元是分離的，這會導致數據頻繁搬運，正是由於 “ 存儲牆 ” 瓶頸的存在，限制了它的速度和能效。
受人腦運作方式的靈感啓發，研究團隊開發了這種新型裝置。晶體管中的電荷就像神經遞質多巴胺一樣，能夠增強突觸（神經元之間的連接）之間的連通性，從而增強人們所保留的記憶。
新型傳感器與傳統相機在信息處理方式上具有顯著的不同：傳統方案通過 AI 識別算法理解世界，而新方案則利用硬件自身的短時記憶，直接記錄環境變化。
具體而言，典型的 AI 圖像識別算法逐幀分析捕獲的視頻流來檢測運動物體，而新型傳感器則存儲近期照射到設備上的光強度變化歷史。通過這種方式，光電晶體管能夠突出環境中的變化信息，並保留其時間演化過程。更重要的是，它記住這些變化的時間可根據具體需求進行調整。
物體運動的速度與傳感器需要 “ 記住 ” 它的時間呈規律變化：物體運動速度快，傳感器需要 “ 記住 ” 它的時間越短；物體動得越慢，需要 “ 記住 ” 的時間則越長。例如，對於時速 250 公里的無人機，只需記錄瞬間的運動軌跡即可；但用於識別可疑徘徊者的門鈴攝像頭，則需要保存更長時間的光強變化序列。
（來源：俄勒岡州立大學）
這種新方法的關鍵突破在於，通過可調節的記憶時長，讓單個傳感器能夠實現多樣任務，包括從高速目標跟蹤到慢速行爲監控等，並在這個過程中同時優化響應速度和能耗表現。
研究人員在實驗中驗證了器件的優異性能，特別是顯著的低功耗優勢。該器件有效工作光強可在低於 5 μ W · cm ⁻²的條件下工作，並支持 0.5 μ W · cm ⁻²的弱光有效成像，比此前同類有機器件低 2 個數量級以上。
Larry Cheng 補充說道： “ 商用相機需要不斷地在傳感器、存儲設備和處理器之間傳輸數據，因此運行圖像識別算法相對來說非常耗能。直接在傳感器上進行這種基礎處理的能力，有望大幅降低能耗需求。 ”
圖丨上圖展示了生物突觸中 “ 記 ” 與 “ 忘 ” 的神經調節機制，及其在光電晶體管中的功能模擬對應關係（來源： Advanced Functional Materials ）
研究人員製造的原型設備是一個 4 × 4 像素陣列，大小與 U 盤類似。陣列頂部塗覆了一層透明的有機吸光層，可將入射光轉化爲電荷。當光子照射到光敏層時，會產生電子和空穴。電子會轉移到下方的晶體管溝道中，該溝道由 IGZO 製成，空穴則構成了器件存儲功能的基礎。
之所以選擇 IGZO 晶體管，是因爲它對可見光透明，這意味着該晶體管不會吸收光，並且電信號傳輸與光敏的功能得以分離。 IGZO 材料適用於大面積製造，廣泛應用於顯示技術領域，由於電荷在其內部傳輸速度快，採用該材料製成的晶體管漏電流極低。這兩種材料的結合使得每個像素能夠在單個器件內既能檢測光線，又能存儲最近一次光照的信息。
Larry Cheng 指出，由於光敏層中的能壘，空穴會被困在孤立的有機半導體聚集體中。即使光照關閉後，這些被困的空穴仍會繼續通過靜電作用調製晶體管溝道，進而實現器件保留最近光照的信息。
電荷量會逐漸衰減，但研究人員可以通過對光敏層施加電壓來改變其持續時間。原因在於，正電壓會將捕獲的空穴推離晶體管溝道更遠，從而降低其作用並加速其衰減，導致記憶快速遺忘；與此同時，負電壓會將空穴拉近晶體管溝道，減緩衰減過程。通過這種干預，器件可將記憶保持數小時甚至更長時間。
實驗數據顯示，在 -0.5V 柵壓下光照後的電導可保持 5,000 秒以上，這種極性可控的切換在單一器件內實現了增強、保持、抑制三種狀態的編程。
圖丨通過結構與光譜表徵，驗證了 TIPS-Tc/IGZO 界面電荷轉移及激子解離效應（來源： Advanced Functional Materials ）
爲驗證新型器件的實際計算能力，研究團隊將器件特性參數導入人工神經網絡模型，對手寫數字數據集 MNIST 進行分類訓練。結果顯示，該器件模擬的突觸權重更新線性度表現良好。在數百次訓練週期後，無噪聲高分辨率條件下分類準確率在 90% 以上，並對硬件中常見的參數波動表現出良好的容錯度。
目前，這項研究仍處於器件驗證階段，需要看到的是，它距離完整替代現有 CMOS 成像系統還有一定距離。在未來的研究階段中，他們計劃將該技術擴展到更大的像素陣列，並開發集成成像原型，進一步探索和驗證實時成像和傳感器端處理能力。
參考資料：
1.https://doi.org/10.1002/adfm.75942
2.https://spectrum.ieee.org/hybrid-phototransistor
3.https://news.oregonstate.edu/news/new-digital-memory-device-inspired-human-brain-may-improve-ai%E2%80%99s-energy-efficiency