一種受人眼啟發的高效光電學新方法

主要要點

• 科學家們正在探索一種更高能效的光學傳感器方法，這一方法受到了視網膜工作原理的啟發。

• 在這種方法中，部分數據處理在傳感器本身進行，然後再將數據發送到計算機或由邊緣計算設備處理。

• 這項研究與伯克利實驗室更廣泛的提高微電子學能效的努力相一致。

當今的光電設備，包括智能手機攝像頭、成像夜空或顯微細胞的科學儀器，面臨著從光子中提取更多信息的挑戰——這是一個消耗大量能量的過程，限制了設備性能以及某些商業和工業應用。

為了改進這一過程，由美國能源部洛倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）領導的科學家團隊正在探索一種更高效的將光子壓縮成圖像的方法，這一方法受到了人眼的啟發。該項目還包括來自桑迪亞國家實驗室、加州大學伯克利分校、加州大學戴維斯分校和德克薩斯大學阿靈頓分校的科學家。

目前有顯著的改進空間。大多數光學傳感器從光中記錄數據，然後將所有原始數據傳輸到計算機中進行處理。這通常消耗了超過必要的能量，因為在大多數應用中，實際所需的數據量僅占原始數據的一小部分。

因此，團隊正在開發一種耗電更少的方法，其中部分數據處理在傳感器本身進行，然後再將數據發送到計算機或由邊緣計算設備處理。

“我們的方法就像視網膜一樣，不僅接收光線，還刺激神經元以從光中生成編碼信息，”該項目的負責人、伯克利實驗室物理部的資深科學家莫里斯·加西亞-西維雷斯（Maurice Garcia-Sciveres）說。“同樣，我們希望創建一種光學傳感器，並融入數據處理，這樣只有所需的信息和高密度數據會被發送到計算機進一步處理。”

“這可以節省光電設備中的大量電力，因為你無需傳輸大量數據進行處理，一旦數據被傳輸，你也不需要進行過多的處理，”他補充道。

由伯克利實驗室主導的該項目是先進技術微電子能效研究中心（MEERCAT）的一部分，該中心是美國能源部最近宣布的三個微電子科學研究中心之一。這些中心匯集了多學科、多機構的項目，與行業合作，旨在提高微電子的能效，並使其能夠在極端環境中更好地運行。

這項研究還與伯克利實驗室更廣泛的提高微電子學能效的努力相一致。

正如能源部公告中所概述的，MEERCAT致力於通過在材料、設備、信息承載方式和系統架構方面推進集成創新來革新能效微電子技術。該中心專注於智能感測、數據帶寬、多路復用和高級計算，將探索無縫連接感測、邊緣處理、人工智能和高性能計算的變革性解決方案。

“我們的項目與MEERCAT內的其他項目非常協同，”加西亞-西維雷斯說。“在我們的方法中，我們希望通過避免部分計算來提高計算的能效。”

加西亞-西維雷斯和他的同事們之前已經研究了通過將納米結構（如納米管和納米線）拼接在一起來創建光學傳感器的方法。這些“納米級混合材料”之所以高度敏感，部分原因是傳感器的納米級元件小於光的波長。納米級混合傳感器的元件也可以以多種方式進行調整，使其成為探索如何將處理直接整合進傳感器的絕佳平台。

“我們的研究將探討如何調整納米級混合傳感器，以便為不同類型的光檢測進行優化，如顏色或波長，目標是開發僅捕捉感興趣屬性的光傳感器，”加西亞-西維雷斯說。“通過這樣，傳感器將在一開始獲得我們想要的光學數據，並在此過程中在將數據傳送到計算機之前進行處理。未來，基於這種方法的高能效光傳感器可以被訓練用於特定的科學或商業應用。”

其他參與該項目的伯克利實驗室科學家包括來自伯克利實驗室分子鑄造廠（一個美國能源部科學辦公室的用戶設施）的特維耶·庫肯達爾（Tevye Kuykendal）、阿爾恰納·拉賈（Archana Raja）和里卡多·魯伊斯（Ricardo Ruiz）；來自材料科學部的米揚·印（Mi-Young Im）；來自材料科學部的阿里·賈維（Ali Javey）和馮旺（Feng Wang）；來自工程部的艾卡特琳·帕帕杜普盧（Aikaterini Papadopoulou）；以及來自應用數學與計算研究部的安德魯·野中（Andrew Nonaka）和志傑克·姚（Zhi Jackie Yao）。該項目還包括伯克利實驗室科學網絡部的聯合教授S. J. Ben Yoo，擔任光子處理活動的負責人。主導的微電子科學研究中心由美國能源部科學辦公室資助。

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洛倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）致力於通過清潔能源、健康地球和發現科學的研究來為人類提供解決方案。該實驗室成立於1931年，基於團隊能最佳解決重大問題的信念，伯克利實驗室及其科學家已獲得16項諾貝爾獎。來自全球的研究人員依賴該實驗室的世界一流科學設施進行他們的開創性研究。伯克利實驗室是一個多計畫國家實驗室，由加利福尼亞大學管理，隸屬於美國能源部的科學辦公室。

美國能源部的科學辦公室是美國物理科學基礎研究的最大單一支持者，並致力於應對我們時代的一些最緊迫的挑戰。部分資料參考自美國能源部與美國NSO團隊。