2018-05-23

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领域取得重要进展

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。此类器件能够与生物突触或神经元类似的信息处理功能,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与生物神经元相仿的累积发放特性等。基于神经形态器件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了连续可调的模拟权值,未能逼真模拟生物突触丰富的可塑性和动力学行为,对于大脑工作原理的借鉴仍然停留在较低的程度,已有人工突触器件能耗也较高,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,发展了一种能够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。该人工突触器件除了具有丰富的类生物突触可塑性之外,其单次突触事件能耗达到了与生物突触相当的水平(30fJ/spike),是迄今为止实验得到的最低能耗人工突触器件。

 

该工作全面地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,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,并可实现诸如EPSCPPFSRDP、高通滤波等丰富的突触行为。此外,该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器件功耗,表现出广阔的超低功耗类脑电路应用前景。此外,该工作对于如何基于纳米离子学从原理出发构建新型器件起到重要的启发和推动作用。

 

我院微电子系大四本科生朱嘉迪为文章第一作者。该成果以《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,在线发表于《先进材料》上(Advanced Materials, 2018, DOI:10.1012/amda.201800195),并被选为杂志内封页。

 

以上研究工作得到国家重点研发计划青年科学家项目、北京市科学技术委员会脑科学研究专项课题、国家自然科学基金创新群体、面上项目、国家青年海外高层次人才引进计划等资助。

 


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