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　　二维材料具有多样且可调的非线性光学效应，基于其非线性效应的全光计算机制具有高速、高并性度、高能效的本征优势，能够支撑数据密集型人工智能计算硬件的高效开发。目前主要的硬件方案包括：片上光学结构硬件，保留全光计算的本征性能，但是动态可调性受限，难以高密度集成；光电耦合调控硬件，支持高效可调性和高密度器件集成，但是大幅降低处理速度且引入额外功耗。华中科技大学团队的这一研究从材料能带结构出发，设计全新的全光激发方案，使电子的非线性弛豫过程和信号调控需求匹配，进而开发纯二维MoS2阵列的全光计算硬件，实现非线性信号的增强和多维度动态调控。该硬件保留光计算的本征优势，规避复杂硬件设计，解决计算性能和功能调控的矛盾。
 

硬件设计和理论基础
 

　　多层MoS2材料的非线性效应涉及到布里渊区K谷处的双光子吸收以及Γ点处高能嵌套导带中的协同激发态吸收。通过设计全新的泵浦-探测-控制飞秒脉冲激发方案，其中控制光脉冲使非线性效应从双光子吸收转换至协同激发态吸收，实现非线性信号的增强，信噪比大于16dB；非线性信号可以由三种光脉冲独立调制，信号强度和功率成线性关系；三能级激发跃迁使信号弛豫寿命延长；高能嵌套导带内高电子态密度分布增强库伦屏蔽效应，使信号的厚度依赖性明显增强。因此，可以通过控制光的开关状态、激发功率、脉冲延迟时间、材料厚度等四个维度进行光信号的动态调控和多种功能设计。
 

硬件调控方案
 

　　由于上述全光计算机制仅依赖材料的本征物理特性，华中科技大学团队首次直接利用纯MoS2材料构建高集成密度的全光计算阵列，无需复杂的光学结构设计，无需引入电信号耦合调控。以脉冲延迟时间编码阵列单元的权重，以激发功率编码输入信号，实现全光神经网络计算，阵列单元的计算速度达到5.6ps，计算功耗为~5.12−9.12pJ。精准选择计算单元的材料厚度，将激发功率编码为二进制输入信号，实现全光与门、或门、与非门、或非门和数模转换器等逻辑计算器件。相关工作为非线性全光神经网络硬件的开发提供了全新的解决思路。
 

硬件功能实现
 

　　缪向水团队长期从事三维相变存储器、忆阻器、类脑智能计算与逻辑运算等信息存储材料及器件方向的研究。2018年出版了国内第一本忆阻器专著《忆阻器导论》；2019年团队将93项三维相变存储器芯片专利许可给国内存储器龙头并合作开发产品，并与行业龙头企业合作建立了联合实验室，推动存储器芯片技术成果转化和未来引领技术探索。