1.中科院基于新型SiC复合衬底的低成本MOSFET取得重要进展；

2.中国科大实现基于非局域性的量子电路等价性检验；

3.中国科大学者实现亿原子级拉曼光谱量子力学模拟；

4.北理工课题组在拓扑电路研究方面取得重要进展；

5.清华大学物理系赵永刚研究组在磁斯格明子包的产生与调控方面取得进展；

6.清华电子系崔开宇课题组提出世界首款“物谱芯片”光谱成像芯片2.0

1.中科院基于新型SiC复合衬底的低成本MOSFET取得重要进展

近日，中科院微电子所高频高压中心刘新宇研究员团队与青禾晶元公司、南京电子器件研究所等团队合作,基于新型6英寸SiC复合衬底成功实现高性能低成本1200V SiC MOSFET。

当前,碳化硅(SiC)晶圆行业正持续扩大产能以满足不断增长的市场需求。但可用于MOSFET制造的无缺陷衬底(即“高质量”衬底)的成品率通常仅为40%-60%。在6-8英寸SiC的生长和提纯过程中,自然会产生低等级衬底(即“低质量”衬底)。在目前的工业生产中,这些衬底通常被作为陪片甚至废料处理,导致高质量SiC衬底的生产成本很高,通常占最终MOSFET器件成本的50%以上。此外,SiC衬底的制造过程耗能较高,导致较高的碳排放。

为应对这一挑战,微电子所与合作单位在国际上首次提出了一种新型6英寸单晶SiC复合衬底,通过表面活化键合技术和离子注入剥离技术,将高质量SiC薄层键合转移到低质量单晶SiC衬底上,实现了低质量单晶SiC衬底有效使用,每个高质量SiC晶圆可重复使用超过30次(即每个高质量晶圆可以产生超过30个薄层),预计成本降低40%。

该复合衬底表现出与高质量衬底相当的缺陷密度,界面热阻低至2.8 +1.4/-0.7 m²K/GW,且键合界面处电场强度很小。此界面热阻是目前国际上报道的SiC与其他材料(如SiC、GaN和Ga2O3)键合界面中最低值。在该衬底上生长的6英寸SiC外延层实现了高达99.2%的无致命缺陷良率。基于此6英寸外延层制造的1200V、20mΩ的SiC MOSFET器件展示了超过70%的良率(在IDSS<2µA,在1200V条件下测试),其性能和可靠性可同最先进的商用器件相媲美。电路鲁棒性测试显示,在超过250A、持续10ms的浪涌电流下,键合界面没有出现退化现象。该成果是首次报道基于SiC复合衬底的晶圆级器件数据及高电流鲁棒性。结果表明,这项新的衬底技术具有巨大的潜力,为更加经济和可持续的SiC功率电子器件提供了重要的发展方向。

基于该研究成果的论文“Cost-Effective 1200 V SiC MOSFETs on a Novel 150 mm SiC Engineered Substrate with Dummy Grade Material Reuse”,于12月10日以口头报告形式发表在第70届国际电子器件大会上(IEDM 2024)。微电子所王鑫华研究员为第一作者,微电子所刘新宇研究员、青禾晶元公司母凤文研究员、弗吉尼亚理工大学(现香港大学)张宇昊教授为论文共同通讯作者。

图1. 6英寸SiC-SiC键合制造过程的主要步骤

图2. 在6英寸工程衬底和外延层上制造的SiC MOSFET沟道区域的横截面高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)图像

图3 在VGS= -4V和在VDS=1200V条件下的6英寸晶圆上制作的器件的IGSS分布图

(绿色为通过,图a良率为90%,图b良率为70%)

图4 浪涌电路测试图

(a) 为电路原理图,(b) 为理想波形

(c) 为浪涌电流测试装置照片

(d) 为被测件在不同浪涌电流水平下的电流和电压波形

(e) 失效被测件的引脚间电阻

文章来源：中国科学院微电子研究所

2.中国科大实现基于非局域性的量子电路等价性检验

我校郭光灿院士团队在量子电路等价性实验研究中取得重要进展。该团队李传锋、柳必恒等人与清华大学魏朝晖助理教授合作，实现了基于贝尔非局域性的量子电路等价性检验。该工作于12月23日发表在国际知名期刊Physical Review Letters上。

量子电路模型是量子计算中广泛应用的理论模型。判断两个独立量子电路能否实现相同功能是一个基础性问题。类似于经典计算的电路等价性问题，量子电路等价性检验对于判断量子算法编译准确性和提升量子电路优化效率至关重要。此前，即使在量子电路内部结构已知的情况下，等价性检验仍被证明是QMA-hard问题。实际场景中，量子电路内部结构往往不可直接观察，使得该问题更具挑战性。

图1.量子电路等价性检验协议概念图。

图2.不同3-比特量子电路等价性验证实验结果。

为解决上述难题，研究组提出了一种结合量子电路距离度量和贝尔非局域性的全新方案。该方案将待测量子电路插入标准贝尔测试中，通过测量其对非局域性的影响来度量不同待测电路之间的距离，最终完成等价性检验。该实验中，实验人员在8×8维的光子系统中构造了Hadamard门，Toffoli门组成的通用量子门集合，并利用其制备不同量子电路完成等价性检验。针对实验中量子噪声，研究团队构建了相应的噪声模型，实验数据与模型结果高度吻合。此外，为展示等价性检验在量子电路优化中的重要作用，研究组设计了两个门结构不同但功能等价的量子电路，实验结果表明其在等价性检验中距离为0。

该工作是国际上首次利用贝尔非局域性进行量子电路等价性检验的实验研究。值得注意的是，该协议所需量子电路运行次数与电路规模无关，展现出极高的实际应用潜力。

文章第一作者为中国科学院量子信息重点实验室博士研究生唐昊、特任副研究员郭钰以及清华大学交叉信息研究院博士生孙维孝。本研究得到合肥国家实验室、国家自然科学基金委、中国科学院、安徽省和北京市的支持。

文章来源：中国科学技术大学

3.中国科大学者实现亿原子级拉曼光谱量子力学模拟

中国科学技术大学精准智能化学重点实验室商红慧教授、杨金龙教授团队与中国科学院计算技术研究所刘颖高级工程师，华东师范大学何晓教授等团队合作完成的研究成果“Pushing the Limit of Quantum Mechanical Simulation to the Raman Spectra of a Biological System with 100 Million Atoms”成功入围2024年戈登·贝尔奖，这是2024年入围该奖的唯一中国团队成果，也是该团队继2021年后再次入围该奖项。戈登·贝尔奖是国际高性能计算应用领域最高奖，由美国计算机协会（ACM）颁发，用于表彰世界范围内高性能计算的杰出成就，尤其是高性能计算应用于科学、工程和大规模数据分析领域的创新工作，被称为“超算领域的诺贝尔奖”。此前，该成果也获得了2024年中国计算机学会(CCF)“中国超算年度最佳应用奖”。

入围ACM Gorden Bell奖

获得“中国超算年度最佳应用奖”

拉曼光谱是研究生物分子结构的重要工具，被广泛应用于药物开发、疾病诊断等领域，然而，拉曼光谱量子模拟计算量巨大。此前的拉曼光谱量子模拟仅能处理数千原子的小体系，研究团队开发的QF-RAMAN程序突破了这一限制，首次实现了包含1亿多原子的新冠病毒刺突蛋白在水溶液中的拉曼光谱量子模拟，与以往工作相比取得了4~5个数量级的提升。这一突破的实现得益于团队在算法设计和工程技术方面的多项创新。在传统密度泛函理论（DFT）和密度泛函微扰理论（DFPT）计算中，计算量随体系规模的增大呈现三次方增长，这使得计算通常只能局限于小型体系。针对以上问题，团队开发了将全电子全势密度泛函微扰理论与量子分块算法深度融合的新方法，将复杂生物分子分解为多个子系统，显著降低了计算复杂度。同时团队针对海量分块计算的负载均衡难题，开发了分块体量敏感的多级调度技术，提高了海量分块计算的并行可扩展性；针对小规模运算的异构加速难题，设计了弹性任务卸载技术，通过小规模运算的灵活聚合，大幅提高异构加速器的硬件利用率。此外，QF-RAMAN程序采用OpenCL通用异构并行计算框架，能在不同硬件架构(CPU、GPU、SW等)的超级计算机上，借助OpenCL编译工具链(oneAPI、rocm、swcl等)实现跨平台运行。在最新一代神威超级计算机上，该程序利用96,000个计算节点（超过3,700万个计算核心）实现了399.9 PFLOP/s的双精度峰值性能；在东方超级计算机上，使用6,000个节点（24,000个GPU），程序也展现了85 PFLOP/s的优异性能。在新一代神威超级计算机上取得了99%的弱可扩展性测试结果，充分展示了该方法的高效性和可扩展性。在此基础上，团队提出了适用于亿级原子体系的矩阵方程求解拉曼光谱的新算法，避免了直接对角化求解，为高精度拉曼光谱计算提供了全新方案，有效解决了大规模量子力学拉曼模拟中的关键技术难题。

这项研究表明，量子力学模拟可以扩展到前所未有的规模，这也为理解复杂生物系统开辟了新途径。以新冠病毒研究为例，该方法可以精确模拟刺突蛋白的结构特征，为深入理解病毒感染机制提供了科学支撑，为药物研发和疫苗设计贡献了重要参考。这一方法还可推广到其他重要生物分子的研究中，成为生物医学研究领域强大的研究工具。此次技术突破不仅展示了中国在高性能计算和计算化学领域的领先地位，也为量子力学模拟的应用场景探索了全新的可能。这一成果为高性能计算与科学研究的深度融合奠定了坚实的技术基础，将推动生物分子模拟研究进入新阶段。

文章来源：中国科学技术大学

4.北理工课题组在拓扑电路研究方面取得重要进展

日前，北京理工大学物理学院张向东教授课题组，在拓扑电路研究方面取得重要进展。他们设计并制备出了一种新型空时电路，被称作“拓扑空时电路”，相关工作以“Topolectrical space-time circuits”为题发表在Nature Communications上[Nat. Commun. 16, 198 (2025)]。北京理工大学物理学院张蔚暄研究员和博士生曹汶慧、钱龙为论文的共同第一作者，张向东教授为通讯作者。研究工作得到国家重点研发计划和国家自然科学基金的资助。

周期性含时驱动是一种调控量子和经典系统的强有力手段，为突破传统静态系统的物理限制并实现新奇拓扑物态提供了全新的契机。近年来，研究人员在各种时变系统中揭示了丰富多样的新奇物态，包括离散时间晶体、拓扑泵浦、光子时间晶体以及Floquet拓扑态等。尤其值得关注的是，近期理论上提出了具有(d+1)维空时平移对称性的空时晶体。这一体系与传统Floquet-Bloch系统显著不同，后者的时间和空间平移对称性是解耦的，而空时晶体则拥有不可分离的空时平移对称性。进一步的研究表明，在(1+1)维和(2+1)维空时晶体中具有由和拓扑不变量刻画的拓扑空时晶体物态。这一发现为拓扑物态的研究开辟了全新的视角。然而，由于拓扑空时晶体需要对空间和时间自由度进行全面而精准的调控，这使得在现有的量子和经典平台上实验实现面临巨大挑战。

拓扑电路作为研究拓扑物理的新型实验平台，展现出传统量子材料和经典人工结构(如光学、声学、力学、热学等)所不具备的独特优势。首先，经典电路可以实现与空间维度和节点距离无关的非局域耦合，这为高维拓扑晶格结构、非欧几里得拓扑态以及具有非阿贝尔耦合特性的拓扑态实验研究提供了理想平台。此外，经典电路拥有丰富多样的有源和无源元件，包括不同规格的电容、电感、电阻、运算放大器、乘法器、忆阻器和二极管等，使得探索传统材料难以实现的拓扑物理特性(如非互易耦合、多种非线性效应以及增益/损耗特性)成为可能。同时，低频拓扑电路的设计理念还能够直接推广到集成电路芯片的设计，为开发具有特殊功能的新型电路芯片提供了重要思路。拓扑空时电路凭借其独特的空时拓扑特性和动态调控能力，在无线电通信、超敏传感和信息数据处理等领域具有潜在的应用前景。然而，如何实现对电路网络中时间和空间自由度的协同调控，以构造出具有空时平移对称性的新型拓扑电路，仍是亟待解决的关键科学问题。

研究亮点一：(1+1)维拓扑空时电路的构建和拓扑空时边界态的实验观测。

研究人员首先对具有(1+1)维空时平移对称性的晶格模型进行了系统研究，其哈密顿量形式为，满足空时平移对称性和。基于空时平移对称性，研究人员借助广义Floquet-Bloch定理对准动量空间中系统的Floquet哈密顿量进行了对称性分析。该系统具备广义粒子-空穴对称性，可以实现由拓扑不变量表征的拓扑边界态。图1a展示了系统在开边界条件下的准能谱分布，其中颜色表示对应本征态的边界局域强度。可以清晰看到在ε = ±0.5Ω附近存在边界态(图1b)。图1c进一步展现了系统准能谱kδ的变化。结果显示，拓扑空时边界态在kδ ∈ [0.59π,1.41π]的范围内出现，表明空时拓扑相变发生在kδ = 0.59π和1.41π处。需要指出的是，该(1+1)维拓扑空时晶体的紧束缚晶格模型仅包含一个轨道(一个子格)，这不同于静态和Floquet对应模型中常见的两轨道最小拓扑模型。这种单轨道特性来源于频率域扩展空时哈密顿量的独特能带结构。具体来说，在不同的Floquet扇区之间的对角能带不仅表现出能量偏移，还在动量上呈现kδ的整数倍差异。因此，相邻Floquet扇区中同一轨道的对角能带在特定动量点处可以相交。当这些能带通过时间调制耦合时，拓扑能隙便可打开。在传统Floquet–Bloch系统中，要打开拓扑能隙至少需要两轨道模型。拓扑空时晶体的单轨道性质可推广至(d+1)维拓扑空时晶体。

进一步，研究人员设计并制备了(1+1)维拓扑空时电路，实现了对上述拓扑边界态的实验观测。为了实现电路耦合的空时调制，他们设计了一种由外加信号控制的时变非互易电阻(图1d)。通过调节不同电路节点之间控制信号的相位和频率，可以构造出具有(1+1)维空时平移对称性的电路网络(图1e)。实验样品的实物照片及细节放大图显示在图1f中。研究人员测量了电路网络的电压动力学，并将其与理论仿真结果进行了对比(图1g-h)。测量结果与仿真高度一致，傅里叶变换得到的频谱在133.5Hz处显示出拓扑边界态的特征频率(图1i)。当频率为133.5Hz时，傅里叶变换下的电压分布呈现出强烈的边界局域性(图1k)；相比之下，体态频率267Hz下的电压分布则表现为空间扩展分布(图1j)。这些结果清晰地证明，通过拓扑空时电路成功实现了(1+1)维拓扑空时边界态。

图1. (1+1)维拓扑空时电路的理论和实验结果。

研究亮点二：基于(2+1)维拓扑空时电路实现手性拓扑边界态的实验观测

进一步，研究人员考虑(2+1)维拓扑空时晶体，其哈密顿量为，满足空时平移对称性和。类似于(1+1)维空时晶体，(2+1)维空时晶体也可以用准动量空间中的Floquet哈密顿量来描述。分析发现，ε = ±0.5Ω附近的低能量有效哈密顿量没有时间反演、粒子空穴和手征对称性，可以用拓扑不变量来表征。图2a展示了系统在开边界条件下的准能谱分布，其中颜色表示对应本征态的边界局域强度。可以清晰看到，ε = ±0.5Ω附近存在拓扑空时边界态(图2c)。需要强调的是，ε = 0.5Ω和-0.5Ω附近的拓扑边界态是由不同能量扇区单轨道Floquet能带耦合得到，相邻能量区间的拓扑空时边界态色散满足ε → ε+Ω和kx → kx + kδx(图2b)。图2d进一步展现了(2+1)维拓扑空时晶体的相图,拓扑相变发生在kδx和kδy的绝对值接近π的区域。

最后，研究人员设计并制备了(2+1)维拓扑空时电路(图2e-2f)，实现了对上述拓扑边界态的实验观测。图2g-2j显示了不同时刻的电压空间分布。可以看到初始电压沿电路边界单向传播，展现了(2+1)维拓扑空时边界态的手性行为。

图2. (2+1)维拓扑空时电路的理论和实验结果。

研究亮点三：(3+1)维Weyl空时半金属及拓扑空时电路实现。

研究人员对哈密顿量形式为的(3+1)维拓扑空时晶体进行了系统性研究。Jz是沿z轴的常数耦合，沿x和y轴的时变耦合为和，满足离散空时平移对称性。与(1+1)和(2+1)维拓扑空时晶体类似，(3+1)维空时晶体也可以用 Floquet哈密顿量H(kx, ky, kz)来描述。当时变耦合较弱时，ε = -0.5Ω附近的低能有效哈密顿量与传统系统的Weyl哈密顿量具有相同的形式。因此，可以通过调节系统参数，实现空时Weyl点。图3a展示了Floquet哈密顿量的准能带结构，可以看到空时Weyl点出现在ε = -0.42Ω和ε = -0.58Ω处。值得注意的是，Weyl点出现的位置与低能有效哈密顿量预测值基本匹配，只有kz值由于其他能带的存在略有偏差。此外，不同Floquet扇区中的空时Weyl点具有空时平移对称性ε → ε+Ω和。空时Weyl点的存在还可以在开边界结构中诱导表面状态出现(图3c)。这些表面态可以形成Fermi-arc,如图3d所示。图3e展示了开边界条件下，(3+1)维拓扑空时晶体的准特能谱。图3f-3g绘制了ε = -0.497Ω的Weyl表面态和ε = -0.41Ω的体态的空间分布。最后，研究人员设计并制备了(3+1)维拓扑空时电路(图3h-i)，实现了对上述空时Weyl表面态的实验观测（图3j-3m）。

图3. (3+1)维拓扑空时电路的理论和实验结果。

该工作首次提出拓扑空时电路的概念，并实现了对(1+1)维、(2+1)维和(3+1)维拓扑空时物态的实验观测。与传统Floquet-Bloch拓扑系统不同，空时平移对称性使拓扑空时晶体具有单轨道特性。该工作为未来探索更加复杂的拓扑空时效应奠定了实验基础。另外，低频拓扑空时电路的设计方法可以扩展到CMOS芯片领域，为设计新型拓扑空时电路芯片提供了重要参考。

文章来源：北京理工大学

5.清华大学物理系赵永刚研究组在磁斯格明子包的产生与调控方面取得进展

磁斯格明子是微、纳米尺度上的一种具有类粒子特性的拓扑非平庸自旋结构，能被磁场、电流、电场等多种方式操控，在自旋电子学方面有着重要的应用前景，有望成为下一代信息存储和逻辑运算的载体。同时，斯格明子也涌现出新奇、丰富的物理现象，如拓扑霍尔效应、斯格明子霍尔效应等，具有重要的科学意义。近年来，随着斯格明子相关研究的深入，探索不同拓扑数的自旋结构以及揭示其三维自旋结构成为研究热点。这其中磁斯格明子包是近几年才在实验上发现的一种拓扑自旋结构。斯格明子包可以理解成内部N个斯格明子被外面一个大的斯格明子（拓扑数与内部斯格明子相反）包围形成，因其可以具有任意高拓扑数Q=N-1而引人关注，高拓扑数使得其相比于斯格明子可以拥有更高的信息编码自由度，同时斯格明子包为拓扑磁学研究提供了新的平台。目前对斯格明子包的研究主要集中在单相块体材料方面，具有诸多优点的磁性多层膜结构中斯格明子包的研究还有待深入。

图1.实验结果（磁畴由磁力显微镜MFM成像）。（a）样品结构示意图。（b）受限圆盘阵列形貌图（原子力显微镜AFM图）。（c）“网状畴”转变成斯格明子包的过程。（d）斯格明子包拓扑数对圆盘尺寸的依赖性。（e）磁场驱动斯格明子包拓扑数的逐级转变

图2.微磁模拟结果。（a）模拟“网状畴”转变成斯格明子包的过程。（b）从能量角度解释斯格明子包拓扑数对圆盘尺寸的依赖性。（c）和（d）模拟的斯格明子包畴壁手性结构在样品厚度方向的分布

最近，清华大学物理系赵永刚研究组利用基于磁控溅射技术生长的典型斯格明子体系[Ta/CoFeB/MgO]×15多层膜结构（图1a），探索出一种在受限结构中产生能在室温、零磁场下稳定的单个斯格明子包的方法。利用微加工得到不同尺寸的微米级受限圆盘阵列（图1b），发现对于合适尺寸的圆盘，利用小角度饱和倾斜磁场磁化后能得到“网状”畴结构，该结构进一步在面外磁场诱导下可逐步转变成斯格明子包结构（图1c），并且在撤去磁场后斯格明子包结构仍能保持稳定。在此基础上，探索了斯格明子包的相关性质，包括斯格明子包拓扑数对受限圆盘尺寸的依赖性（图1d）、宏观磁场驱动下的拓扑数逐级转变（图1e）以及局域磁场调控行为等。通过与北京理工大学的黄厚兵教授合作，利用微磁学仿真分析了受限圆盘的特殊边界条件（边界附近高磁各向异性能密度区域）对于斯格明子包产生和零场稳定性的机制，从能量角度解释了斯格明子包拓扑数对于圆盘尺寸的依赖性，同时分析了厚度方向斯格明子包畴壁手性结构的分布，并进一步探索了不同材料参数下斯格明子包的稳定情况（进而分析该斯格明子包制备方法对于其他材料的适用性），部分模拟结果如图2所示。该工作为磁性多层膜结构中斯格明子包的研究提供了一种有效方法，也将激发后续进一步的研究工作。

相关研究成果以“多层磁碟中单个斯格明子包的室温生成和转换”（Room-temperature creation and conversion of individual skyrmion bags in magnetic multilayered disks）为题，于1月2日发表于《自然·通讯》（Nature Communications）。

清华大学物理系教授赵永刚和北京理工大学前沿交叉科学研究院教授黄厚兵为论文通讯作者。清华大学物理系2019级博士生刘权、北京理工大学前沿交叉科学研究院2020级博士生董守哲、清华大学物理系2018级博士生王雨桐为论文共同第一作者。论文合作者包括中国科学院物理研究所研究员蔡建旺，兰州大学教授柴国志，清华大学教授宋成、副教授江万军、朱静院士、南策文院士等。研究得到国家自然科学基金、科技部重点专项等的支持。

文章来源：清华大学

6.清华电子系崔开宇课题组提出世界首款“物谱芯片”光谱成像芯片2.0

算力是智能时代最重要的基石和引擎，而视觉是人类和机器感知世界最重要的途径。“感算一体芯片”作为人工智能时代重要的基础模块，可以为手机、机器人、无人机等一系列小型化、便携化终端设备赋能感知与计算的强大能力。清华大学电子系黄翊东教授团队崔开宇课题组提出世界首款“物谱芯片”——光谱成像芯片2.0，即物质成像光谱卷积神经网络芯片，是面向复杂视觉任务的感算一体芯片，也是首个可以用含有物质光谱信息的自然光直接作为输入的光计算芯片，突破了现有光神经网络大多都难以落地到实际应用的困境，真正实现真实世界的复杂视觉计算任务。

随着大数据大模型对算力需求呈现远超摩尔定律增长的趋势,电子计算平台的能耗大且计算速度有限，严重限制了边缘设备上人工智能模型的发展。光神经网络具有计算速度快、并行性高、功耗低的明显优势，被认为是最有前途的下一代并行计算方案。然而受限于片上集成的规模问题以及对相干光源的依赖性，现有的光神经网络大多都难以落地到实际的应用场景中，只能用在图像边缘检测、手写数字识别等简单的任务上。

受生物视觉启发的卷积神经网络（Convolutional Neural Network，CNN），能够提取图像的高维特征并显著降低神经网络处理图像数据所需的参数量，在图像识别、分割、检测等机器视觉任务中得到广泛应用。崔开宇课题组提出新的感算一体式解决思路，即光谱卷积神经网络（Spectral convolutional neural network, SCNN），如图1所示，通过在图像传感器（CMOS imagesensor, CIS）表面大规模集成光谱调制结构，便能够在光谱维度实现向量内积的大规模并行计算。将集成了光谱调制结构的图像传感器视为输入层及第一卷积层，结合后续的小规模电计算卷积层，便能构成一个光电混合的神经网络。

图1.现有的光神经网络（ONN）与论文提出的光谱卷积神经网络（SCNN）的对比

制备的基于光谱卷积神经网络的物谱芯片如图2所示，分别采用了光学超表面以及色素作为光谱调制结构，制备了两款不同的物谱芯片，验证了光谱卷积神经网络框架的可行性。其中基于超表面的芯片具有更好的光谱调制能力，并且具有偏振、相位、入射角等全光场感知的潜力，而基于色素的芯片已实现了12吋晶圆的流片量产，具有更高的集成度和更低的加工制备成本。光谱卷积神经网络方案主要有三点优势：（1）基于图像传感器实现的光计算卷积层集成度大、功耗低，且可以直接感知自然光（包含两个空间维度和一个光谱维度的宽带非相干光），不依赖于相干光源；（2）光计算卷积层为感算一体式，即图像传感器完成拍摄的同时也完成了计算，能够在算力有限的边缘设备与移动终端上完成高维光谱图像的获取与处理，实现“物质超成像”（Mattermeta-imaging），摆脱GPU、不被卡脖子，让光谱成像的应用轻松下沉到终端；（3）光电混合的计算架构能够兼顾光计算高速、并行、低功耗的优势以及电计算的灵活性，充分利用图像传感器作为目前最高集成度的光电探测阵列芯片，让上百万像素、上亿像素相机的每一个像素点都可以计算。

图2.分别采用光学超表面及色素实现的基于光谱卷积神经网络的物谱芯片

为验证光谱卷积神经网络方案的有效性和灵活性，用同一个物谱芯片（3×3.5mm2）实现了病理诊断和人脸鉴伪两个完全不同的现实世界复杂任务，如图3所示。光谱信息可以反应物质的组成成分，且难以被伪造，利用光谱卷积神经网络感知计算得到的光谱信息，可以实现像素级的活体检测，并达到96.23%的准确率，进一步可以实现几乎100%的图像级人脸鉴伪准确率。在切片病理诊断上，不依赖于显微镜便能实现对正常甲状腺组织切片及四种病变（包括癌变）甲状腺组织切片的分辨，展现出了物谱芯片在术中病理实时诊断的应用潜力。

图3.用同一个物谱芯片实现了病理诊断和人脸鉴伪两个完全不同的现实世界复杂任务

综上所述，物谱芯片，即物质成像光谱卷积神经网络芯片，能够直接处理自然图像，在百万至上亿像素的空间维度实现高度并行的内积运算，通过引入的连续光谱维度感知自然图像中包含的物质信息，即动态识别物质的组成成分并映射到特征空间中，实现全新“物质成像”的感算一体边缘计算(In-sensor Edge Computing)，为机器视觉、边缘计算终端设备赋能物质成像的全新功能，从而开启一个超越人眼的物质元成像（Matter Meta-Imaging, MMI）神经网络芯片的新范式。

相关研究成果以“非相干光感算一体的光谱卷积神经网络芯片”（Spectral convolutional neural network chipfor in-sensor edge computing of incoherentnatural light）为题，于1月2日在线发表于《自然·通讯》（Nature Communications）。

清华大学电子系微纳光电子学实验室与王生进、李亚利团队联合培养博士生饶世杰和崔开宇副教授为论文共同第一作者，崔开宇和黄翊东为论文通讯作者。研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京量子信息前沿科学中心、北京量子信息科学研究院等的支持。

文章来源：清华大学