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A novel multiscale simulation framework for low-dimensional memristors

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Science China(Physics,Mechanics & Astronomy) 2023年第7期66卷 79-87页

作者： Shurong Pan Li Liu qijun huang Jin He Hao Wang Sheng Chang Key Laboratory of Artificial Micro-and Nano-Structures of Ministry of Education School of Physics and TechnologyWuhan UniversityWuhan 430072China School of Microelectronics Wuhan UniversityWuhan 430072China

In recent years,the memristor has been widely considered an emerging device,but it has rarely been simulated.An obstacle is the change in the intrinsic atomic level when it works.Using the density functional theory(DFT),this atomic level change in structure cannot be demonstrated.Using molecular dynamics(MD),memristor electronic transport properties cannot be calculated.In this study,we propose a novel multiscale simulation framework merging MD,DFT,and the nonequilibrium Green’s function method,which can reveal not only a memristor’s basic working mechanism but also its transport character.To verify our framework’s availability in guiding innovative memristor design,a new type of memristor,a planar monolayer MoS_(2)-based memristor,is simulated for the first time.The popped S atoms’effect on its carrier transport is revealed,which clarifies the working mechanism of the planar monolayer MoS_(2)-based memory device.We hope that this framework can shed light on the analysis and design of low-dimensional memristors.

关键词： multiscale framework memristor planar monolayer transport properties MoS_(2)

A general quantum minimum searching algorithm with high success rate and its implementation

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Science China(Physics,Mechanics & Astronomy) 2023年第4期66卷 49-60页

作者： Yi Zeng Ziming Dong Hao Wang Jin He qijun huang Sheng Chang School of Physics and Technology Wuhan UniversityWuhan 430072China Key Laboratory of Artificial Micro-and Nano-Structures of Ministry of Education Wuhan UniversityWuhan 430072China

Finding a minimum is a fundamental calculation in many quantum algorithms.However,challenges are faced in demonstrating it effectively in real quantum computers.In practice,the number of solutions is unknown,and there is no universal encoding method.Besides that,current quantum computers have limited resources.To alleviate these problems,this paper proposes a general quantum minimum searching algorithm.An adaptive estimation method is adopted to calculate the number of solutions,and a quantum encoding circuit for arbitrary databases is presented for the first time,which improves the universality of the algorithm and helps it achieve a nearly 100%success rate in a series of random databases.Moreover,gate complexity is reduced by our simplified Oracle,and the realizability of the algorithm is verified on a superconducting quantum computer.Our algorithm can serve as a subroutine for various quantum algorithms to promote their implementation in the Noisy IntermediateScale Quantum era.

关键词： quantum minimum searching algorithm quantum circuit superconducting quantum computer quantum encoding

Machine learning method for tight-binding Hamiltonian parameterization from ab-initio band structure

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npj Computational Materials 2021年第1期7卷 79-88页

作者： Zifeng Wang Shizhuo Ye Hao Wang Jin He qijun huang Sheng Chang Key Laboratory of Artificial Micro-and Nano-Structures of Ministry of Education and School of Physics and Technology Wuhan University430072 WuhanHubeiPeople’s Republic of China

The tight-binding(TB)method is an ideal candidate for determining electronic and transport properties for a large-scale system.It describes the system as real-space Hamiltonian matrices expressed on a manageable number of parameters,leading to substantially lower computational costs than the ab-initio methods.Since the whole system is defined by the parameterization scheme,the choice of the TB parameters decides the reliability of the TB calculations.The typical empirical TB method uses the TB parameters directly from the existing parameter sets,which hardly reproduces the desired electronic structures quantitatively without specific optimizations.It is thus not suitable for quantitative studies like the transport property calculations.The ab-initio TB method derives the TB parameters from the ab-initio results through the transformation of basis functions,which achieves much higher numerical accuracy.However,it assumes prior knowledge of the basis and may encompass truncation error.Here,a machine learning method for TB Hamiltonian parameterization is proposed,within which a neural network(NN)is introduced with its neurons acting as the TB matrix elements.This method can construct the empirical TB model that reproduces the given ab-initio energy bands with predefined accuracy,which provides a fast and convenient way for TB model construction and gives insights into machine learning applications in physical problems.

关键词： Hamiltonian system assume

季风低压诱发2018年8月广东特大暴雨过程分析

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大气科学学报 2024年第1期47卷 95-107页

作者：黄玉蓉黄绮君郭炳瑶葛旭阳陈明诚南京信息工程大学气象灾害教育部重点实验室/气象灾害预报预警与评估协同创新中心江苏南京210044

利用NCEP/FNL再分析资料和中尺度数值模拟方法探讨2018年8月27日—9月1日季风低压环境下广东特大暴雨过程的形成成因。利用扰动天气图方法分析发现,季风低压和西南急流为此次广东暴雨过程提供了有利的水汽条件和能量条件。熵变零线位置... 详细信息

利用NCEP/FNL再分析资料和中尺度数值模拟方法探讨2018年8月27日—9月1日季风低压环境下广东特大暴雨过程的形成成因。利用扰动天气图方法分析发现,季风低压和西南急流为此次广东暴雨过程提供了有利的水汽条件和能量条件。熵变零线位置与降水落区位置有较好的对应,零线处能量有最大累积,有利于暴雨的发生发展,对预报暴雨降水落区有一定的指示意义。为进一步验证季风低压的影响机制,构建不同季风低压尺度的敏感性试验,即通过滤去季风低压环流中的扰动分量来改变季风低压的强度。结果表明:暴雨强度与季风低压尺度和强度存在密切的关系。当季风低压强度较强时,暴雨过程总雨量强;当季风低压强度较弱时,降水大为减少甚至无降水。诊断分析指出,能量螺旋度指数能够较好反映出不同情形下降水发生发展,在季风低压背景下,暴雨区能量螺旋度指数较大,降水强度较强。反之,随着季风低压强度减弱,能量螺旋度指数减小,降水减弱。

关键词：季风低压暴雨能量螺旋度水汽条件

基于FPGA的便携心电智能诊断加速器及优化选芯方案

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电子技术应用 2024年第6期50卷 89-95页

作者：郭千禧刘文涵罗德宇黄启俊武汉大学物理科学与技术学院湖北武汉430072

心电图(electrocardiogram,ECG)是诊断与心脏相关疾病的关键工具,可穿戴心电监护仪Holter是院外检测的重要手段,小型化、便携性、实时检测是优化方向。人工智能技术应用于包括心电诊断的各个领域,但存在参数量大、难于小型化、计算速度... 详细信息

心电图(electrocardiogram,ECG)是诊断与心脏相关疾病的关键工具,可穿戴心电监护仪Holter是院外检测的重要手段,小型化、便携性、实时检测是优化方向。人工智能技术应用于包括心电诊断的各个领域,但存在参数量大、难于小型化、计算速度慢的问题,不满足便携心电监护仪的要求,而可编程逻辑门器件(Field-Programmable Gate Array,FPGA)有并行加速的特性。在AI智能算法硬件化的工程应用上,存在成本、速度、资源利用率的权衡,需要进行科学的芯片选型。开发了一种基于1D-CNN的、用于心电诊断的BeatNet,对于4分类的检测任务,该模型具有98.5%的分类准确率。在FPGA上实现BeatNet硬件化的实验,经测试在Altera公司的DE1-SoC开发板上部署RTL级硬件网络电路,最高频率为69 MHz,单个心拍诊断需要221个周期,总计算时间为3.31μs,满足实时标准。针对速度、功耗和成本指标评估了不同部署策略的性能,开发了一个选芯综合指数,可以在仅损失0.2%精度、5μs内完成单心拍的条件下,将FPGA计算芯片成本控制在200美元以内,满足高速度、低成本、低功耗的要求,对工程优化有实用价值。

关键词：心电检测深度学习 FPGA RTL级便携医疗设备

台风“烟花”缓慢移动的机理研究:远距离双台风相互作用

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气象科学 2024年第2期44卷 308-316页

作者：刘开源戴竹君姜有山黄绮君葛旭阳南京信息工程大学气象灾害教育部重点实验室/气候与环境变化国际合作联合实验室南京210044 中国气象局交通气象重点开放实验室南京210009 南京市气象局南京210019

本文通过一系列敏感性试验探究台风"烟花"移动缓慢的可能机理。结果表明:台风"烟花"的移动对台风"尼伯特"的强度较为敏感。"尼伯特"强度主要通过影响其附近大尺度低压系统的强度与范围,间接影响"烟花"的大尺度引导气流,进而影响"烟花"... 详细信息

本文通过一系列敏感性试验探究台风"烟花"移动缓慢的可能机理。结果表明:台风"烟花"的移动对台风"尼伯特"的强度较为敏感。"尼伯特"强度主要通过影响其附近大尺度低压系统的强度与范围,间接影响"烟花"的大尺度引导气流,进而影响"烟花"的移动。具体而言,"尼伯特"与其附近大尺度低压系统环流共同激发西北风引导气流,抵消了部分副高西南侧的东南风引导气流,从而造成"烟花"受到的大尺度引导气流偏弱,致使其移动缓慢,路径复杂。此外,当"尼伯特"强度越大时,以上过程对"烟花"移动的影响也越大。因此,当两个台风相距较远时,双台风相互作用可能通过影响周围的大尺度系统,间接对台风路径产生较大影响。

关键词：台风“烟花” 移动速度双台风引导气流

一种基于知识蒸馏的量化卷积神经网络FPGA部署

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电子技术应用 2024年第4期50卷 97-101页

作者：罗德宇郭千禧张怀诚黄启俊王豪武汉大学物理科学与技术学院湖北武汉430072

设计了一种针对心电数据实时分类的量化神经网络,将权重量化为两位整数,运用知识蒸馏的方法使性能达到了期望的效果,并部署于FPGA开发板上。知识蒸馏后的量化网络比全精度网络的分类准确率提升了9%。在FPGA开发板上的运行结果符合预期,... 详细信息

设计了一种针对心电数据实时分类的量化神经网络,将权重量化为两位整数,运用知识蒸馏的方法使性能达到了期望的效果,并部署于FPGA开发板上。知识蒸馏后的量化网络比全精度网络的分类准确率提升了9%。在FPGA开发板上的运行结果符合预期,达到了需要的性能,可以对左束支传导阻滞(L)、右束支传导阻滞(R)、正常心拍(N)和室性早搏综合征(V)四种心电信号进行分类,相比于其他量化方式对存储参数的需求更小,资源使用更少,相比于CPU速度提升了1.5倍,运行时间达到实时性要求,适合于部署在小型、轻量化的资源有限的可穿戴设备上。

关键词：心电信号量化卷积神经网络知识蒸馏 FPGA

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轻量化高效目标检测平台的设计

电子设计工程 2024年第15期32卷 1-6页

作者：谢凯亮张华君陈文鑫陈思贇黄启俊常胜武汉大学物理科学与技术学院湖北武汉430072 湖北航天飞行器研究所湖北武汉430040

基于人工智能的目标检测算法作为安防监控、辅助驾驶等方向的核心技术,其在边缘端的应用落地已成为研究热点。一方面,目标检测网络计算量大、参数量多,往往占据器件的大量资源;另一方面,目标检测应用的落地普遍需要满足高效、实时性等... 详细信息

基于人工智能的目标检测算法作为安防监控、辅助驾驶等方向的核心技术,其在边缘端的应用落地已成为研究热点。一方面,目标检测网络计算量大、参数量多,往往占据器件的大量资源;另一方面,目标检测应用的落地普遍需要满足高效、实时性等要求。针对实际应用场景中以上问题的考量,提出了可增强小目标检测能力的带有旁路(Bypass)的目标检测网络模型,并面向边缘端落地对该模型进行了轻量化和高效并行化设计。其中,轻量化设计方面,运用了深度可分离卷积、BRAM复用、多精度参数等多种优化策略;高效并行化方面,在多尺度上对输入输出通道、卷积核进行了并行化设计。在PYNQ框架下,完成了轻量化高效目标检测平台的搭建,实现帧率达到44.5 FPS、IoU为0.68的检测性能,满足了边缘端落地的需求。

关键词：目标检测硬件加速 PYNQ 现场可编程逻辑门阵列轻量化设计

彩色多期CT血管成像对脑大、中动脉闭塞性脑梗死的诊断价值

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医学影像学杂志 2024年第6期34卷 9-13页

作者：徐勤徐烨祝唯敬文斌杨琛黄其军苗涵敬诚功田萌四川省德阳市第二人民医院放射科四川德阳618000 四川省德阳市第二人民医院神经外科四川德阳618000 齐鲁医药学院医学影像学院山东淄博255300 吉林医药学院临床医学部吉林吉林132000

目的探讨彩色多期CT血管成像(ColorViz mCTA)对大、中动脉闭塞性脑梗死的诊断价值。方法选取本院急性缺血性脑卒中患者306例,均完成多期CTA及MRI-DWI检查。多期CTA血管信息由FastStroke软件汇总。对比ColorViz mCTA对于大、小梗死灶的... 详细信息

目的探讨彩色多期CT血管成像(ColorViz mCTA)对大、中动脉闭塞性脑梗死的诊断价值。方法选取本院急性缺血性脑卒中患者306例,均完成多期CTA及MRI-DWI检查。多期CTA血管信息由FastStroke软件汇总。对比ColorViz mCTA对于大、小梗死灶的检出差异性,分析ColorViz mCTA与区别大、小病灶之间的相关性,利用ROC曲线评价ColorViz mCTA对区分大、小急性脑梗塞灶的诊断价值。结果共检出323个病灶,其中大、中动脉闭塞性梗死灶共190个,小动脉闭塞性脑梗死灶133个。病灶越大,ColorViz mCTA检出率越高(P<0.001),并且ColorViz mCTA与病灶大小有显著相关性(r=0.749,P<0.001);ColorViz mCTA区分大、小病灶曲线下面积(AUC)为0.933(P<0.001),当病灶面积等于2.53 cm2时,ColorViz mCTA具有最大诊断效能,敏感度为91.1%,特异度为86.1%。结论利用ColorViz mCTA可对脑大、中动脉闭塞性脑梗死针对性诊断。

关键词：动脉闭塞性脑梗死体层摄影术,X线计算机磁共振成像