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微纳电子学研究院黄如院士-杨玉超研究员课题组在超低功耗神经形态器件研究中取得重要进展

发布时间:2018-5-24

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近年来,面向高智能、低功耗类脑计算的神经形态器件广受关注。这类器件可具备如同生物突触或神经元的信息处理功能,如人工突触器件具有类似生物突触的连续可调权值,人工神经元器件能够实现类似生物神经元的累积发放特性等,因此有望打造新一代类脑计算芯片乃至类脑计算机。然而,常规人工突触器件仅实现连续可调的模拟权值,尚不能逼真、完全模拟生物突触的可塑性和动力学行为,对大脑工作原理的借鉴仍停留在较低程度,且能耗较高。如何实现与生物突触可比拟的复杂功能和超低能耗,是困扰研究者的关键难题。

北京大学信息科学技术学院微纳电子学研究院、微米/纳米加工技术国家级重点实验室黄如院士-杨玉超研究员课题组借鉴生物突触工作的离子输运动力学原理,发展了一种高精度模拟生物突触多种短时程、长时程可塑性的突触晶体管。除具有丰富的类生物突触可塑性之外,该器件的单次突触事件能耗达到与生物突触相当的水平(30 fJ),对低功耗类脑计算电路和系统的实现具有重要意义。

他们全面揭示了基于二维材料和有机电解质的突触晶体管中离子的扩散动力学过程,并在多种二维材料体系中系统研究了材料层厚、材料结构等因素对突触可塑性行为的影响,展现出高度自洽的结果。通过改变栅电压信号强度,即可利用此突触晶体管实现短时程可塑性向长时程可塑性的转变,并实现兴奋性突触后电流(EPSC)、双脉冲易化(PPF)、激发频率依赖可塑性(SRDP)、高通滤波等丰富的突触行为。器件还具有极高线性度、对称性和可与生物突触比拟的超低功耗,表现出类脑电路广阔的应用前景。此外,这项工作对于如何基于纳米离子学从原理出发构建新型器件,也起到重要的启发和推动作用。

相关成果以《基于二维范德瓦尔斯晶体、具有可调扩散动力学的离子栅突触晶体管》(Ion gated synaptic transistors based on 2D van der Waals crystals with tunable diffusive dynamics)为题,近日在线发表于《先进材料》(Advanced Materials, DOI: 10.1012/amda.201800195),并被选为内封页;信息学院四年级本科生朱嘉迪为第一作者。

以上研究工作得到国家重点研发计划、北京市科学技术委员会“脑科学研究”专项、国家自然科学基金、国家青年海外高层次人才引进计划”(即“青年千人计划”)等资助。

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