让芯片逻辑更快进行图像智能处理 这一研究入选2023中国光学十大进展

真或假、是与非、对与错……这些都是我们常见的逻辑，实际上，逻辑不但存在于社会的种种，更存在于智能设备中的数字电路里。

近日，中国光学学会重磅发布“2023中国光学十大进展”评选，国科大杭州高等研究院（以下简称“杭高院”）和中国科学院上海技术物理研究所胡伟达领衔，杭高院贺婷、李庆、刘书宁、王嘉成、吴海涛、仲方团队联合参与的研究成果——“片上红外光电逻辑门智能芯片”成功入选。

片上红外光电逻辑智能芯片的提出，实现了光电逻辑门与硅基光电子芯片的融合，解决了复杂光电逻辑功能的构建问题，为通讯波段小型化、高集成度光电混合逻辑芯片提供了关键技术方案，将有力推动下一代新型片上智能图像处理芯片快速发展。

何为光电逻辑门？

在《三体》中，三体星系的一颗行星上“秦始皇”为了预知自己王朝的命运，用成千上万士兵建造了“人列计算机”，其中，每位挥舞黑白旗表示二进制信号的士兵就是一个逻辑门。

而在现实世界中，计算机在储存、处理信息时，当输入转化为输出，用于完成这种转化的就是逻辑门。逻辑门是计算机电路的基本构件，根据给定的规则，接受输入并产生输出，常见的逻辑门有与门、或门、非门、异或门、与非门、或非门等。

光和电作为信息的载体，无时不刻影响人们的生活。光是自然界传输最快的物质，而电可以用来操纵信息，具有逻辑运算的本领。“光电逻辑门是一种把逻辑算法耦合到光电传感单元的新型光电器件，可以按照指定的因果关系，对光信息进行推理运算，提取图像中的特征，再以电信号的形式输出。”贺婷介绍道。

片上红外光电逻辑门智能芯片及其应用演示图 图源：中国科学院上海技术物理研究所官网

传统的光电探测器仅用于光电转换，在图像处理过程中，所有的原始图像需要被多次地转运处理。而光电逻辑门的逻辑运算是在原始图像信息发源时就开始操作，大大减少冗余数据，有望成为下一代逻辑电路的基本单元，为全电逻辑门和全光逻辑门提供重要补充。

与紫外、可见光波段相比，设计红外通讯波段光电逻辑门在结构设计和集成度方面难度更大。“红外光区别于可见光，它是根据物体辐射的热量，显示出信号，从而判断物体是否存在。”贺婷解释道。 

“传统的单根波导（波导：用来定向引导电磁波的结构）和器件的探测，可以实现探测功能。而多根波导与器件结合，可以使得光输入的方式更加丰富，因此，我们提出多波导集成光电逻辑门架构的新思路。”贺婷表示，在硅基光电芯片上，她们设计了多波导红外光信号传输结构，从而实现了通讯波段（短波红外1.55μm）光电逻辑门。

高性能、复杂光电逻辑门结构设计与实现

5G时代下，传感端的数据量大幅增长，提高图像传感节点对关键特征的提取效率是十分必要的，这也意味着需要更高性能复杂光电逻辑门结构。

“片上”即片上系统（简称“SoC”即System on Chip），指的是将计算机或其他电子系统的所有必要组件，集成到单个芯片上的一种微芯片。“非线性异或功能在电路芯片中需要10个以上的晶体管组合实现，我们提出的'光触发正负响应单元'新路线，在单个器件中，就能实现逻辑的异或功能。”贺婷介绍。

硅基光电芯片集成的片上光电逻辑门设计方案 图源：国科大杭州高等研究院官方微信公众号

对于光电逻辑器件，探测单元的响应度和带宽，决定了器件的灵敏度和处理速度。贺婷所在研究团队提出的优化结构，短波红外响应度为0.35 A/W，3 dB带宽为230 MHz，相对于以前研究报道的光电逻辑门已有较大的优化。

团队通过结构的优化，就获得了高性能、高集成度的逻辑门以及组合逻辑功能。同时，团队还验证了片上红外光电逻辑门芯片，在图像处理和通信领域的潜在应用，演示了其在目标边缘提取、符号识别、红外图像融合以及加密解密等场景下的应用效果。

“这项研究总体花了2年多的时间，至少制备了50-60片芯片。”贺婷表示，但最难的是需要想好怎样去设计芯片，解决现有芯片在应用中的痛点。未来，他们将以该成果为突破口，推动新型红外光电子器件在智能驾驶、物联网等多领域应用。