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微纳电子学系黄如院士、杨玉超研究员在人工双端忆阻神经形态器件领域取得重要进展

发布时间:2019-09-18

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计算机与人脑的架构与工作方式有着巨大的差别。人类大脑由大约860亿个互相连接的神经元组成,虽然单元计算速度远不如基于传统冯•诺依曼架构(信息存储与信息处理在物理上分离)的计算机,但这种复杂的神经网络从某种程度上可以看作是一个存储和计算一体化且高度并行的分布式计算系统,对于复杂数据和多线程任务的处理效率极高,而且功耗很低。科学家们一直努力模拟人类大脑的结构和运算模式,而人工突触和神经元被认为是构建仿生、神经形态计算系统的关键要素,也成为近几年的热门研究领域(Sci. Adv., 2016, 2, e1501326)。然而,使用相互兼容的材料体系构建大规模且具有生物仿真动力学行为的突触和神经元器件一直是研究的难点。

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生物神经元网络和人工模拟突触示意图。Sci. Adv., 2016, 2, e1501326.


近日,北京大学微纳电子学系黄如院士、杨玉超研究员和北京科技大学李立东教授等研究者在Materials Horizons杂志上报道了一种人工双端忆阻神经形态器件,在电极/电介质界面引入银纳米团簇(Ag NCs),可同时在增强和抑制过程中实现短时程可塑性(short-term plasticity, STP)和长时程可塑性(long-term plasticity, LTP)。其中,银纳米团簇可以响应施加的脉冲,并进行移动、连接和重分布,它们在电介质中的电化学迁移和热力学弛豫彼此竞争,很好地模拟了生物学中的突触和神经元动力学,这使得可以用相同的器件展示多种突触功能和神经元发放。这种器件无需刻意设计重叠脉冲就可实现多种复杂功能,比如再可塑性(metaplasticity)、异步经典条件反射(asynchronous classical conditioning)和脉冲时间依赖可塑性(spike-timing-dependent plasticity, STDP)等,为构建能够编码和处理时空信息的智能神经形态系统奠定了基础。

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“Ta/Ag-NCs/Ta2O5/Pt/Ti”器件结构及STP/LTP测试。


研究者设计了“Ta/Ag-NCs/Ta2O5/Pt/Ti”的人工突触器件结构,其中Ta2O5薄膜作为介电层,也是容纳Ag纳米团簇的基质,Ta具有更好的粘附性因此被用作顶电极。通过1 nm厚Ag薄膜的退火实现Ag纳米团簇在电极/电介质界面的引入。研究者随后研究了该器件的突触行为,整个实验过程中,器件始终保持在低于1 V的低压下工作。在外加电压刺激下,该器件可以模拟生物学中的兴奋性突触后电流(EPSC)行为,在增强和抑制两种过程中均实现STP和LTP过程。这在此前人工突触相关报道中还从未有人实现过。

在生物突触中,Ca⟡⁺的迁移在STP和LTP中起到关键作用,是形成记忆和学习的基础。类似地,该器件中Ag纳米团簇起到了类似突触中Ca⟡⁺的作用。比如,低振幅的单脉冲只能将少量的Ag激发到电介质中,这类似于Ca⟡⁺离子的内流过程,还可能形成一个弱导电通道。在施加脉冲使得Ag进行电化学迁移之后,Ag细丝表面能的热力学最小化驱动桥接Ag纳米团簇从电介质中逸出,这类似于Ca⟡⁺离子通过质膜的外流过程。这些过程也得到了电镜图像的证实。可以说,电场作用下,Ag纳米团簇在电介质中的电化学迁移和热力学弛豫彼此竞争,模拟了生物学中的突触动力学,是该人工突触器件实现STP/LTP的机制,并可用于模拟生物神经元的累积、泄漏、发放动力学过程,从而在同一种器件当中实现了突触、神经元的功能。

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银纳米团簇的迁移与重分布过程与STP/LTP。


双脉冲易化(paired-pulse facilitation, PPF)是生物突触中的特征现象,当施加两个连续脉冲时,第二个脉冲的响应幅度会大于第一个,且依赖于两个脉冲的时间间隔。本文报道的人工突触器件也可以模拟这一过程。而且,这些行为可以通过施加脉冲期间Ag纳米团簇向内的电化学迁移以及脉冲间隔期间向外的热力学扩散之间的竞争效应来进行解释。

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不同频率和次数的脉冲下的人工突触测试。

这种人工双端忆阻突触还可以执行更加复杂的功能,包括再可塑性、异步经典条件反射和脉冲时间依赖可塑性(STDP)。而且这些功能的实现,都是基于器件中Ag纳米团簇的竞争性电化学和热力学过程,而无需刻意设计编程条件。

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实现经典条件反射的实验测试