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。
新型二维原子晶体具有原子层厚度、表面无悬挂键、易于集成等特性。目前国内外前沿研究成果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。然而绝大部分的国际研究仍然停留在简单的单元器件，推向落地应用的大面积集成电路工作鲜有报道。
近日，复旦大学周鹏/包文中团队利用晶圆级二维原子晶体硫化钼成功制备了大规模机器视觉增强芯片。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）。
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，并开发了适用于二维集成电路的集成电路制造工艺。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模型构建了MoS2晶体管仿真模型，对视觉增强电路中的模拟电路进行仿真和优化，最终实现了10 mm×10 mm的机器视觉增强芯片。
本工作是迄今为止国际上最大集成规模的新型晶圆级二维半导体机器视觉增强芯片。在单片上集成了619个光电“感算一体”像素单元。其中，数模转换器模块可以对任一像素进行动态控制，从而准确调整每个成像单元的光电流，降低外围电路设计复杂度与数据处理的难度，并同时实现成像增强和降噪功能。实际测试结果证明该芯片可以实现光传感、存储、处理和图像增强功能一体化，并且具有低噪声和高灵敏度的特点，可获得了90 dB以上的高动态光感应范围，接近人眼的识别效果。而且芯片具有植入柔性、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具有巨大应用潜力。
微电子学院马顺利副教授，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本文的共同第一作者；微电子学院包文中研究员、周鹏教授、香港理工大学柴杨教授为该工作的共同通讯作者。研究得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金杰出青年基金、上海市教委创新计划的支持。
图. 基于二维半导体的机器视觉增强芯片。右边放大的每个单元像素电路中集成了信号“传感-存储-计算”功能。
论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abn9328
