基于光电子/微电子混合集成的视觉芯片

This research project studies and desiges an optoelectronic-and- microelectronic hybrid vision chip. It investigate a design method for an optoelectronic-and-microelectronic hybrid integrated circuit, vision chip architecture, image procesiing algorithim on vision chip,embedded high speed image sensor, multiple-levels of SIMD parallel processors and artificial-neural- networks(ANN) processor. The chip integrates CMOS image sensor, multiple-levels of SIMD parallel processors，an Artificial-Neural-Networks(ANN) processor and embedded dual-core microprocessor. The multiple-levels of SIMD parallel processors consist of an array processor of SIMD processing elements (PEs) and a column of SIMD row processors (RPs).The PE array and RPs carry out low- and mid- level image processing in corporation and generate imaga feature patterns, while the dual-core microprocessor and ANN processor can perform high level image processing. The vision chip overcomes the limitations of the large amount of image data transferred induces heavy I/O load and large power dissipation. The vision chip can satisfy flexibly the needs of different vision applications such as over 1000fps high-speed target tracking. character recognition and face/gesture detection.

针对信息社会发展和新一代信息技术产业对视觉信息高速获取和实时处理能力的迫切需求，以及视觉芯片设计中的科学技术问题，本项目拟开展基于光电子/微电子混合集成的视觉芯片设计研究。探索和研究大规模阵列式视觉芯片体系架构、光电子/微电子混合集成电路设计方法、面向器件实现的视觉信息处理算法、高速高性能新结构像素器件、数模混合信号处理电路、多级异构处理单元（器）阵列电路、低功耗电路设计和应用方案等关键科学技术问题。突破现有视觉信息系统中数据串行传输和串行信息处理的速度和效率瓶颈效应，摸索出一套有效的光电子/微电子混合集成电路设计方法，设计出新型的可使用的视觉芯片。把我国视觉芯片和光电子/微电子混合集成电路设计研究水平推向世界同研究领域的前沿，促进我国光电子/微电子融合集成电路产业的发展。

视觉是人类感知外部世界的最重要手段，视觉信息占到了人类获取外部环境信息总量的80%。研究并实现能够进行视觉信息获取和智能化处理的半导体视觉片上系统芯片成为当今半导体信息领域中重要的热点研究课题之一。视觉芯片是一种新型光电子/微电子融合的混合集成电路，设计方法学不同于传统的集成电路，视觉芯片的设计研究富有挑战性。在项目执行期的5年时间内项目研究团队紧密围绕项目的研究目标，不懈努力地研究解决和突破了大规模阵列式视觉片上系统芯片体系架构、光电子/微电子混合集成设计方法、面向器件实现的视觉信息处理算法、高速高性能像素和阵列设计、数模混合电路设计、处理单元阵列电路设计和低功耗电路设计等科学问题和关键技术。提出了三种重要的可编程多级并行视觉芯片架构，为实现高速视觉片上系统芯片奠定了基础；提出了超高速图像传感器的新型像素器件和低功耗高性能读出电路阵列，实现了超高速图像传感器和基于ToF原理的三维成像图像传感器；提出像素级并行处理单元阵列、行并行处理器阵列、图像块级并行处理器阵列、卷积处理单元阵列和并行分类处理器，通过这些并行处理器的有机结合实现低、中、高级图像处理；提出了面向视觉芯片的专用指令集和一套视觉芯片上进行算法设计的指导原则，设计了多个复杂现代的低中高级图像处理算法；摸索出了一套从工艺条件、光电子器件、模拟电路和数字电路到系统芯片设计的光电子/微电子混合集成电路设计方法，支撑了视觉芯片的设计；实现了视觉片上系统芯片，芯片能够模仿人类视觉系统视觉信息并行处理机制，图像获取和图像信息处理的系统速度达到每秒一千帧，突破现有视觉信息系统中数据串行传输和串行信息处理的速度和效率瓶颈效应。把我国视觉芯片和光电子/微电子混合集成电路设计研究水平推向世界同研究领域的前沿，促进我国光电子/微电子融合集成电路产业的发展。