综述:用于神经形态计算的忆阻性人工突触

Memristive Artificial Synapses for Neuromorphic Computing

Wen Huang*, Xuwen Xia, Chen Zhu, Parker Steichen, Weidong Quan, Weiwei Mao, Jianping Yang, Liang Chu*, Xing’ao Li*

Nano-Micro Letters (2021)13: 85

https://doi.org/10.1007/s40820-021-00618-2

本文亮点

1本文基于信号刺激的类型,将模拟突触功能的突触器件主要分为电刺激光刺激光电协同突触器件进行讨论。
2. 对基于电信号和光信号的突触器件的工作机制、进展和应用场景进行了比较和分析。
3. 展望了各种突触器件的性能和未来的发展,对构建高效的神经形态系统具有重要的指导意义。
内容简介

近年来,随着大数据和人工智能的快速发展,以传统冯·诺伊曼为架构的传统计算机因处理器与存储器在物理上是分离的,导致传统计算机在处理复杂问题时,存在运行速度慢、能耗高等问题。受大脑启发,神经形态计算可以模拟生物大脑功能的运行来进行信息处理,并有可能解决冯·诺伊曼架构的瓶颈。该计算是基于忆阻硬件神经网络实现的,其中模仿大脑生物突触的突触器件是主要单元。本文主要按刺激方式对不同的突触器件进行分类,分别介绍各种器件的机理、进展和应用,并且展望了各类突触器件的未来发展状况。南京邮电大学李兴鳌教授课题组在本文中根据信号刺激模拟,将突触器件主要分为电刺激、光刺激和光电协同的突触器件。详细分析了各种器件的工作机理类型,这些机理只要包括离子迁移(电刺激、光电协同)、相变(光刺激、电刺激)、铁电性能(电刺激)、载流子捕获与释放(光刺激、电刺激)以及氧空位的离化(光刺激)等,并对模拟的突触功能展开讨论。此外,对现有各种突触器件的应用场景进行了概述。最后,对突触器件的性能和未来发展进行了展望。

图文导读

I 基于电刺激神经突触器件

电刺激的突触器件主要使用电脉冲作为刺激信号来改变其电导率(即突触权重),并通过更改刺激脉冲的宽度、电压幅度、频率、数量等来实现对各种突触功能的模仿。基于电刺激的突触器件在当前的研究中主要包括离子迁移(对应图1a)、铁电(对应图1b)、相变(对应图1d)和载流子捕获和释放四种类型(图1e)。

图1. 基于电刺激神经突触器件(a) 基于原子开关的突触器件。(b) 铁电忆阻器示意图,其中铁电隧道势垒BiFeO₃在(Ca、Ce)MnO₃和Pt/Co之间。(c) 器件电阻与电压幅度的磁滞回线。(d) 基于Ge₂Sb₂Te₅(GST)的相变(PCM)材料的突触设备示意图。(e) ITO / PVPy – Au NP / AlRRAM阵列器件。(f) 器件的SET(顶部)和RESET(底部)过程。

II 基于光刺激神经突触器件

本节主要讨论基于光刺激突触器件的原理,这些原理主要包括氧空位的离化和解离(图2a),通过陷阱捕获和释放载流子(图2c)以及光诱导相变(图2d)。

图2. 基于光刺激神经突触器件。(a) IGZO晶体管突触器件的示意图。(b) 随光脉冲刺激响应的机制示意图。(c) Si NCs双端型突触器件示意图。(d) 基于MoOₓ突触器件的示意图。(e-f) 在紫外线照射前后,MoOₓ中的Mo 3d峰的相应的XPS表征。

III 基于光电协同神经突触器件
光电协同神经突触器件是利用光和电脉冲通过它们的协同效应来控制器件的电性能,包含电辅助光刺激和光辅助电刺激两种类型,从而模拟突触功能。对于电辅助光刺激器件,电刺激主要用于擦出光刺激引起的俘获载流子(离子)从而辅助模拟IPSC(LTD)等突触功能。

光辅助电刺激突触器件,光被用作调节器件电学性能的辅助方式。在该类型器件中,光刺激材料可以影响离子迁移所需克服的势垒,也可能影响离子与空位符合的机率,从而影响器件导电性能,基于此可以辅助模拟各种突触功能。

图3. 光电协同神经突触器件。(a) 基于CsPbBr₃量子点的突触器件示意图。(b) CsPbBr₃量子点突触器件的能带示意图。(c) 光脉冲的光子增强和黑暗条件下电脉冲的抑制。(d) 有机-无机杂化钙钛矿(MAPbI₃)器件的原理图及光对离子扩散的影响。(e) 不同功率密度下电导对脉冲刺激的变化。(f) 在黑暗和不同光照条件下,对忆阻性能影响。

IV 光电神经突触器件的应用
突触器件可以模拟的生物突触功能,例如LTP / LTD,SRDP和STDP等。这些功能可应用于很多领域,主要包括数字识别,逻辑运算,厌恶学习,滤波等,见图4所示。

图4. 神经突触器件的应用。(a) 基于卤化物钙钛矿的突触器件,包括MAPbBr₃、FAPbBr₃和CsPbBr₃。(b) 基于突触器件的神经网络手写数字识别。(c) 基于h-BN / WSe₂异质结构的视神经突触器件用于颜色识别。(d) 突触权重随着训练次数的增加而变化。(e) 基于Si NCs的电致发光突触器件用于逻辑运算。(f) 基于Si NCs的晶体管突触器件。(g) 用于治疗酒精成瘾者的厌恶学习。(h) 光子MoS₂突触滤波器。(i) 用高通滤波器锐化后的花朵图像。

作者简介

黄稳

本文第一作者

南京邮电大学 专聘副教授

主要研究领域

光或电刺激忆阻物理机制及其在突触模拟方面的应用。

主要研究成果

瑞典乌普萨拉大学博士毕业,以第一作者身份发表SCI学术论文10余篇,其中IF大于10的两篇。目前主持江苏省自然科学基金青年项目1项。

Email: wenhuang@njupt.edu.cn

楚亮

本文通讯作者

南京邮电大学 副教授

主要研究领域

钙钛矿太阳能电池、钙钛矿忆阻器等。

主要研究成果

主持了国家自然科学基金、中国博士后科学基金面上一等资助、江苏省自然科学基金、北京大学深圳研究生院开放课题等项目。近五年发表SCI收录论文40余篇,授权发明专利3件。

Email: chuliang@njupt.edu.cn

李兴鳌

本文通讯作者

南京邮电大学 二级教授

主要研究领域

主要从事物理学、材料学、光学工程等学科领域的研究工作。主要研究方向涉及光电信息材料与器件;二维半导体材料、多铁性材料等的制备、性能及其光催化应用;钙钛矿太阳能电池等。

主要研究成果

主持国家自然学基金项目4项、江苏省自然科学基金1项,主要参与国家高技术研究发展计划(863 计划)1项和江苏省科技支撑项目1项。在国内外学术期刊上公开发表 SCI收录论文150余篇,申请发明专利20余项。

Email: iamxali@njupt.edu.cn

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