二維材料具有多樣且可調的非線性光學效應，基于其非線性效應的全光計算機制具有高速、高并性度、高能效的本征優(yōu)勢，能夠支撐數(shù)據(jù)密集型人工智能計算硬件的高效開發(fā)。目前主要的硬件方案包括：片上光學結構硬件，保留全光計算的本征性能，但是動態(tài)可調性受限，難以高密度集成；光電耦合調控硬件，支持高效可調性和高密度器件集成，但是大幅降低處理速度且引入額外功耗。華中科技大學團隊的這一研究從材料能帶結構出發(fā)，設計全新的全光激發(fā)方案，使電子的非線性弛豫過程和信號調控需求匹配，進而開發(fā)純二維MoS2陣列的全光計算硬件，實現(xiàn)非線性信號的增強和多維度動態(tài)調控。該硬件保留光計算的本征優(yōu)勢，規(guī)避復雜硬件設計，解決計算性能和功能調控的矛盾。
 

硬件設計和理論基礎
 

　　多層MoS2材料的非線性效應涉及到布里淵區(qū)K谷處的雙光子吸收以及Γ點處高能嵌套導帶中的協(xié)同激發(fā)態(tài)吸收。通過設計全新的泵浦-探測-控制飛秒脈沖激發(fā)方案，其中控制光脈沖使非線性效應從雙光子吸收轉換至協(xié)同激發(fā)態(tài)吸收，實現(xiàn)非線性信號的增強，信噪比大于16dB；非線性信號可以由三種光脈沖獨立調制，信號強度和功率成線性關系；三能級激發(fā)躍遷使信號弛豫壽命延長；高能嵌套導帶內高電子態(tài)密度分布增強庫倫屏蔽效應，使信號的厚度依賴性明顯增強。因此，可以通過控制光的開關狀態(tài)、激發(fā)功率、脈沖延遲時間、材料厚度等四個維度進行光信號的動態(tài)調控和多種功能設計。
 

硬件調控方案
 

　　由于上述全光計算機制僅依賴材料的本征物理特性，華中科技大學團隊首次直接利用純MoS2材料構建高集成密度的全光計算陣列，無需復雜的光學結構設計，無需引入電信號耦合調控。以脈沖延遲時間編碼陣列單元的權重，以激發(fā)功率編碼輸入信號，實現(xiàn)全光神經網絡計算，陣列單元的計算速度達到5.6ps，計算功耗為~5.12−9.12pJ。精準選擇計算單元的材料厚度，將激發(fā)功率編碼為二進制輸入信號，實現(xiàn)全光與門、或門、與非門、或非門和數(shù)模轉換器等邏輯計算器件。相關工作為非線性全光神經網絡硬件的開發(fā)提供了全新的解決思路。
 

硬件功能實現(xiàn)
 

　　繆向水團隊長期從事三維相變存儲器、憶阻器、類腦智能計算與邏輯運算等信息存儲材料及器件方向的研究。2018年出版了國內第一本憶阻器專著《憶阻器導論》；2019年團隊將93項三維相變存儲器芯片專利許可給國內存儲器龍頭并合作開發(fā)產品，并與行業(yè)龍頭企業(yè)合作建立了聯(lián)合實驗室，推動存儲器芯片技術成果轉化和未來引領技術探索。