In-Sensor Computing Realization Using Fully CMOS-Compatible TiN/HfOx-Based Neuristor Array

神经形态工程学 计算机科学 瓶颈 可扩展性 CMOS芯片 高效能源利用 计算机体系结构 嵌入式系统 人工神经网络 分布式计算 电子工程 工程类 人工智能 电气工程 数据库
作者
Haizhong Zhang,Peng Qiu,Yaoping Lu,Xin Ju,Dongzhi Chi,K. S. Yew,Min Zhu,Shao Hao Wang,Rongshan Wei,Wei Hu
出处
期刊:ACS Sensors [American Chemical Society]
卷期号:8 (10): 3873-3881 被引量:13
标识
DOI:10.1021/acssensors.3c01418
摘要

With the evolution of artificial intelligence, the explosive growth of data from sensory terminals gives rise to severe energy-efficiency bottleneck issues due to cumbersome data interactions among sensory, memory, and computing modules. Heterogeneous integration methods such as chiplet technology can significantly reduce unnecessary data movement; however, they fail to address the fundamental issue of the substantial time and energy overheads resulting from the physical separation of computing and sensory components. Brain-inspired in-sensor neuromorphic computing (ISNC) has plenty of room for such data-intensive applications. However, one key obstacle in developing ISNC systems is the lack of compatibility between material systems and manufacturing processes deployed in sensors and computing units. This study successfully addresses this challenge by implementing fully CMOS-compatible TiN/HfOx-based neuristor array. The developed ISNC system demonstrates several advantageous features, including multilevel analogue modulation, minimal dispersion, and no significant degradation in conductance (@125 °C). These characteristics enable stable and reproducible neuromorphic computing. Additionally, the device exhibits modulatable sensory and multi-store memory processes. Furthermore, the system achieves information recognition with a high accuracy rate of 93%, along with frequency selectivity and notable activity-dependent plasticity. This work provides a promising route to affordable and highly efficient sensory neuromorphic systems.
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