复旦大学微电子学院成功研制新原理机器视觉增强芯片

机器视觉广泛应用于工业制造，自动驾驶、医学成像及民用安防等场景。现有的机器视觉技术通常基于硅基CMOS技术，需要在图像传感和信号处理电路之间进行复杂和高带宽的互连。随着机器视觉应用的快速发展和图像信息复杂度提升，传统的“传感-信息处理”分离的架构越来越难以满足高算力、低功耗及小体积的图像信号处理需求，更希望能够在单个芯片中同时进行视觉感知和信息处理，来避免冗余数据传输。

新型二维原子晶体材料（二维材料）具有原子层厚度、表面无悬挂键、易于集成等特性。前沿的研究成果也表明二维材料在集成感知、存储、计算等能力方面有着极大的优势，有望弥补现有硅基光电传感与图像处理技术的不足。不过目前国际上二维材料的研究主要还是基于简单的单元器件，大面积的电路集成工作鲜有报道。

近日，复旦大学微电子学院周鹏/包文中团队利用晶圆级二维原子晶体硫化钼，成功制备了机器视觉增强芯片。8月3日，工作进展以《基于二维半导体的619像素机器视觉增强芯片》（“A 619-Pixel Machine Vision Enhancement Chip based on Two Dimensional Semiconductors”）为题发表于国际期刊《科学前沿》（Science Advances）上。微电子学院副教授马顺利、信息科学与工程学院博士后吴天祥、微电子学院博士生陈新宇为共同第一作者；微电子学院研究员包文中、教授周鹏、香港理工大学教授柴杨为共同通讯作者。

在这项工作中，研究团队首先成功生长了高质量均匀的两英寸二维材料（MoS2）晶圆，并进一步开发了适用于二维集成电路的加工工艺。这种单原子层的MoS2具有优异的半导体特性，兼具信号处理和光电传感的作用。此工作中制作的部分MoS2场效应晶体管，采用了高透明度的顶栅，所以具有良好的光感应能力；而不透明的顶栅晶体管，则构成了信号处理电路。在此基础上利用level-62 SPICE模型构建MoS2晶体管仿真模型，从而对视觉增强电路中的模拟电路进行仿真和优化，最终构建了一个大小为10mm×10mm的机器视觉增强芯片。

本工作的二维电路是迄今为止报道中集成规模最大的，在晶圆级二维材料上单片集成了619个光电“传感-处理”像素单元。其中，数模转换器模块可以对任一像素可动态控制，从而动态准确地调整每个成像单元的光电流，从而降低外围电路设计复杂度与数据处理的难度，而且可以实现成像增强和降噪功能。实际测试结果证明该芯片可以同时实现光传感、存储、处理和图像增强功能，并且具有低噪声和高灵敏度的特点，可以实现90dB以上的高动态光感应范围，接近人眼的识别效果。所研究的芯片同时具有植入柔性、透明和生物相容性特点，开拓了二维芯片的工业的应用领域和产业化进程，在机器视觉、视觉增强和虚拟现实领域的巨大应用潜力。