image: Professor Johnny Chung-yin Ho, Associate Head and Professor of the Department of Materials Science and Engineering at CityU looks at a nanowire chip. Developing nanowires for future semiconducting chips is one of his research focuses. view more
Credit: City University of Hong Kong
由香港城市大學（香港城大）領導的聯合研究，建立了一套耗電量極低的人工視覺系統，以模擬人類大腦，並成功執行了數據密集的認知任務。研究團隊的實驗成果，將可為新一代人工智能（artificial intelligence, AI）器件，提供具潛力的操作系統。
研究團隊由香港城大材料科學及工程學系（MSE）副系主任兼教授何頌賢教授領導。研究成果已於科學期刊《科學進展》(Science Advances)上發表，題為〈Artificial visual system enabled by quasi-two-dimensional electron gases in oxide superlattice nanowires〉。
隨著廣泛應用於數字運算的半導體技術出現發展停滯的跡像，神經形態（neuromorphic, 即模擬人類大腦）的計算系統被視為未來的替代方案之一，科學家們因而一直努力嘗試研發出可以媲美人類大腦般輕巧、具能源效益及適應能力的新一代先進人工智能電腦。
「可惜現有人工突觸（synapses）若要做到耗能極低、但又有效地模仿人腦的神經可塑性（neuroplasticity），仍是一大挑戰。而所謂神經可塑性，即是神經網絡改變連接或者自行重新連線的能力。」何教授說。
提升人工突觸的能源效益
突觸是指腦內兩個神經元之間，以傳遞神經信號來互相溝通的關鍵部位。「人工突觸」即是人腦突觸的人工版本，是模仿人類大腦有效傳遞神經信號和形成記憶過程的一種器件。
為了提升人工突觸的能源效益，何教授的研究團隊首次於人工神經形態系統中，運用「準二維電子氣」（quasi-two-dimensional electron gases）。團隊透過製備出具有卓越電學性能的半導體材料氧化物超晶格納米線（oxide superlattice nanowires），研製了準二維電子氣光子突觸（quasi-2DEG photonic synaptic devices）。該人工突觸錄得每次突觸反應（per synaptic event）只耗能少於千萬億分之一焦耳（0.7fJ）的最低紀錄；對比起人腦的突觸，何教授團隊開發的光子突觸設備的耗能足足減低了93%。
何教授說：「實驗證明，運用了我們特製的光子突觸的人工視覺系統，能夠以極低耗能，同時執行感光、如人腦般運算和產生記憶的功能。相信我們的研究成果，可以為他日建立應用於仿生設備、電子眼睛以及多功能機器人的人工神經形態系統，提供一個具前景的策略。」
模仿突觸的電導改變
何教授解釋，當電子被局限在兩種不同材料之間的二維界面時，就會產生二維電子氣。由於沒有電子之間的相互作用和電子與離子的相互作用，因此那些電子在界面中可以自由走動。
當接觸到光脈衝時，來自環境中的氧分子會被納米線表面吸附，並與來自氧化物超晶格納米線內部的二維電子氣的自由電子，誘發出一系列的反應，光子突觸的電導因而改變。由於超晶格納米線具有出色的電荷載流子遷移率和對光的刺激高度敏感，光子突觸中電導的變化，能達到與人腦突觸電導變化相類似的效果。因此，準二維電子氣光子突觸可以模擬人腦中的神經元傳輸和記住信號的方式。
集感光和記憶功能於一身
「超晶格納米線材料具有特殊性能，令我們的人工突觸能同時具有感光和記憶的功能。簡而言之，超晶格納米線的核心能高度靈敏地感應到光的刺激，而納米線的外殼則可以促進記憶功能，所以我們不需要在圖像感測芯片中製作用以儲存電荷的額外記憶模組，這也是我們此設備能節省能耗的原因。」何教授解釋說。
研究團隊利用這種準二維電子氣光子突觸，建立了一個人工視覺系統，能準確和有效地感測到光圖案的刺激，並「記住」該圖案的形狀長達一個小時。何教授形容，就如「我們的大腦會記住眼睛所見的事物一段時間一樣」。
他補充說，團隊合成光子突觸和人工視覺系統的方法毋需使用複雜的儀器，而且他們研製的光子突觸能夠以大規模和低成本的方式，在柔性塑料上製備。
何教授是論文的通訊作者，而論文第一作者是他的兩位博士生孟優和李方舟。來自香港城大的研究團隊成員還有卜修明博士、葉晨寶博士、康小林、魏仁杰、李達攀和王飛。團隊其他成員則來自電子科技大學、九州大學以及東京大學。
這項研究獲得香港城大、香港研究資助局、國家自然科學基金會與深圳市科技創新委員會的資助。
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Journal
Science Advances