光电人工突触研究进展

传统的人工视觉系统基于冯•诺依曼架构,其视觉采集单元、处理单元和存储单元分离,因而冗余数据在各个单元之间传递会造成高延迟和能耗。为了解决这一问题,新一代神经形态视觉系统应用而生,其具有感知、存储、计算一体化的架构,既可以减少数据传递,又可以提高数据处理效率。作为神经形态视觉系统的硬件实现基础,光电人工突触器件近年来得到广泛研究。光电人工突触器件将光敏元件与突触器件的功能相结合,为实现低延迟、高能效和高可靠性的神经形态视觉系统提供了新的可能。虽然光电人工突触材料千差万别,但其工作机理主要包括氧空位的电离和解离、光生载流子的捕获和释放、光致相变以及光与铁电复杂相互作用等。本文从工作机理的角度,介绍了光电人工突触器件的最新研究进展,并分析了不同工作机理的优点及其面临的挑战。最后,概述了未来光电人工突触的应用前景和发展方向。

基于水热法制备三氧化钼纳米片的人工突触器件

近年来,在神经形态电子中,能够模拟突触功能的人工突触器件的研发引起了广泛关注.本文利用水热法制备出高比表面积的基于MoO3纳米片的薄膜,并将其用于人工突触器件的制备,成功模拟了如:突触后兴奋电流(EPSC)、双脉冲易化(PPF)、脉冲持续时间依赖可塑性(SDDP)、脉冲电压依赖可塑性(SVDP)及脉冲速率依赖可塑性(SRDP)等神经突触的重要功能.

柔性人工突触:面向智能人机交互界面和高效率神经网络计算的基础器件

人工智能技术的发展为人机交互、感知系统、机器人及假肢的控制等带来了革命性变化,同时对复杂数据的处理和人机交互界面提出了新的要求。不同于目前基于软件系统和冯·诺依曼构架实现的神经网络,人脑运算方式具有高效率和低功耗的特点。因此,在硬件层面上模拟人脑的神经拟态器件,对构建新的运算系统具有重要意义。此外,神经拟态器件能够将传感器数字信号转变成类神经模拟信号,有望实现与生物神经信号的兼容,构建智能、高效的人机交互界面。因此,神经形态器件受到了广泛研究,其相关材料、制备工艺和器件结构不断得到优化,例如基于晶体管和忆阻器的柔性仿生人工突触器件均实现了视觉信息处理、运动识别、类脑神经记忆等功能。目前,虽然随着研究的不断深入,仿生人工突触器件的工作原理得到了一定解释,但深入的机理仍有待挖掘:(1)针对生物个体间的差异,以及同一个体不同感知系统的差异,需要对人工突触器件突触后信号进行调控,以获得与生物神经信号更好的兼容性;(2)生物突触的树突结构,能够搜集、整合和调制时间和空间的信号,模拟树突的信号整合机制,将有助于改善多栅极人工突触晶体管的设计方案,实现对人工突触器件信号整合功能的调控;(3)目前多数研究是基于硬质衬底上的器件设计,对于在柔性衬底上的形变-异质界面-器件电子学性能的规律还有待研究,需要对应力应变下柔性人工突触器件的稳定性与失效机制进行探究。本文归纳了柔性仿生人工突触器件的最新研究进展,分别从器件结构、材料选择、工作机理等角度进行介绍,分析了人工突触器件面临的问题和潜在应用领域。本综述期望为柔性人工突触的设计、制备和应用提供一定参考。

开发与活细胞一起工作的人工突触

据Keene ST 2020年9月19日[Nat Mater,2020,19(9):969-973.]报道,斯坦福大学(Stanford University)的研究人员与意大利技术研究所和荷兰埃因霍温理工大学开发了首个生物杂交版本的人工突触,证明它可以与活细胞交流。该设备的未来技术可以直接对大脑发出的化学信号做出反应。2017年,该研究团队展示了一种新设备,它模仿了大脑高效、低能量的神经学习过程。这是一个人造的突触——神经递质在神经元之间传递信息的间隙——由有机材料制成。

三端晶体管的人工突触器件:材料、结构与系统

神经形态工程学旨在从硬件层面上构建人工仿生神经系统,模拟人脑独特高效的运行机制,进而实现神经形态感知和类脑计算功能.生物突触是人脑学习和记忆的基本结构与功能单元.因此,构建类生物突触结构、功能的电子器件是实现神经形态感知与计算的关键.相较于两端的阻变器件,三端突触晶体管在实现多态调控和降低能量消耗上都具有优势.此外,三端突触晶体管还可以将压力、温度等外界物理刺激转化为电信号,在采集视觉、听觉、嗅觉等信号来工作的人造感知神经系统方面有广阔的应用前景.本文综述了三端突触晶体管的材料选择、器件结构以及功能应用,并重点介绍了基于三端突触晶体管的人造视觉、听觉和嗅觉三种感知系统的最新进展.最后,总结了三端突触晶体管及其构建的人造感知系统面临的挑战,并对其未来发展进行了展望.

硫系非晶态半导体人工神经突触的可塑性

模拟大脑中的神经突触是实现下一代计算机--类脑神经形态计算的关键一步。为了利用光子模拟神经突触的可塑性进而发展全光人工神经突触器件,文章开展了基于可控光诱导抑制效应的硫系非晶态半导体人工神经突触的实验研究。分析了材料化学组分和抽运光功率对该人工神经突触的调控作用,描述了该人工神经突触的可塑性。结果表明掺入不同杂质的硫系非晶态半导体平面波导具有不同的可控光诱导抑制过程,且抑制深度受控于抽运光功率的变化。基于这些特性,该人工神经突触展现出了配对脉冲易化功能、短程抑制功能、长程抑制功能,具有良好的可塑性。

共混诱导制备圆偏振光突触晶体管

集成圆偏振光(CPL)识别及记忆学习功能的光子人工突触(PAS)器件对高级神经形态视觉系统具有重要价值。本文通过简单的共混策略及器件多层结构设计,制备了可见光范围内的CPL突触晶体管器件。实验证明,通过手性小分子(4-[[4-(己氧基)苯甲酰基]氧基]-1,1’-[1,1’-联萘]-2,2’-二酯)苯甲酸(S6N)或(R)-(9CI)-4-(己氧基)-[1,1’-联萘]-2,2’-二(氧羰基-4,1-亚苯基)苯甲酸(R6N)与聚(9,9-二辛基芴-2,7-二基)(PFO)共混制备的薄膜经过手性诱导和退火后具有强烈的手性光学活性。以该共混膜为手性层、联噻吩-氮杂异靛蓝-含氮苯并二呋喃二酮给体-受体共轭聚合物(C13P3.75)为电荷传输层,制备的双层光电晶体管能够在405 nm CPL照射下进行多种生物突触行为的模拟。成功模拟了兴奋性突触后电流(EPSC)、双脉冲易化(PPF)及短期记忆(STM)到长期记忆(LTM)的转变。实验结果表明,制备的有机场效应晶体管(OFET)器件具有优异的CPL区分能力,对405 nm CPL的光电流不对称因子达到了-0.492。

基于薄膜晶体管的铁电/驻极体协同有机光电突触

基于薄膜晶体管结构,在铁电突触晶体管的基础上,增加了驻极体这一功能层,制备出一种铁电/驻极体突触晶体管。与传统的铁电突触晶体管相比,其开关比增大了一个数量级,阈值电压减少了10 V。薄膜表面的均方根粗糙度从2.95 nm降到0.66 nm,有利于载流子的传输。同时,在不同颜色的光照下,该器件呈现出4种不同的突触状态,多级光电突触的功能使其有望降低神经网络的复杂性。

基于铁电材料的人工突触器件的研究进展

神经形态计算因具有解决传统冯诺依曼架构的瓶颈问题的潜力,已经被深入研究。在众多人工突触器件材料系统中,铁电材料有独特的极化和非易失性特性,其在神经形态计算中应用前景巨大。本文总结了有关于铁电突触器件的最新研究进展,梳理了铁电材料的基本性质,分析了两种铁电突触器件—铁电隧穿结(FTJ)和铁电场效应晶体管(FeFET)的工作原理以及研究成果,并对基于铁电材料的人工突触器件目前的研究状况以及未来的发展分别做出了总结与展望。

忆阻器及其在人工突触器件中的研究进展

忆阻器与生物突触具有天然相似性,通过忆阻器人工突触构建神经网络是实现高性能计算最有前景的方案之一。本文介绍了忆阻器的工作机制,概述了忆阻器的不同阻变机理,着重介绍了忆阻器材料及其研究近况。最后,从应用出发,回顾了近期通过忆阻器构建人工突触器件的进展,并简要讨论了忆阻器发展面临的主要挑战。

氮掺杂氧化锌-氧化锌忆阻器突触可塑性研究

为了解决传统计算机中存储与运算之间的物理分离以及传输速度受限的问题,制备一种可用于神经形态计算的模拟型忆阻器,采用磁控溅射法在氧化铟锡导电玻璃衬底上依次完成氧化锌、氮掺杂氧化锌阻变层与银顶电极的沉积,对忆阻器的结构和电学性能进行表征、测试,并探究氮掺杂氧化锌薄膜厚度对忆阻器电学性能的影响。结果表明:制得的氮掺杂氧化锌-氧化锌忆阻器具有渐变式的电导切换行为,能够很好地模拟生物突触的可塑性,可用于神经形态计算;氮掺杂氧化锌薄膜厚度的增加有助于电学性能的稳定,减小氮掺杂氧化锌薄膜厚度,会显著增大电导响应的变化率。

硫化锑晶体管制备及其光电突触特性研究

采用快速热蒸发的方法制备薄膜,制作晶体管并模拟光、电信号刺激下的突触行为。研究表明,器件具有光、电信号调制的栅控能力,还可以模拟双脉冲抑制、长时程增强、巴普洛夫条件反射及遗忘过程、尖峰脉冲时间依赖可塑性等突触行为。

基于忆阻器材料的人工神经突触的研究进展

忆阻器是一种结构简单、功耗小和操作速度快的新兴非线性存储器,兼具记忆和逻辑运算的功能,忆阻器与生物大脑的神经突触类似,是一种极具潜力替代当前计算系统的电子材料。简述了忆阻器的基本原理与特性、忆阻器在模拟突触可塑性方面的研究现状和忆阻器材料在人工神经突触应用方面的最新研究进展,并展望了忆阻器材料在人工神经突触研究中的发展趋势。

硫化铋忆阻器的制备及其图像识别研究

随着现代信息技术的飞速发展,传统的冯·诺伊曼计算架构存在数据处理与存储分离现象,在数据处理方面出现了瓶颈。基于忆阻器的人工突触阵列具有高的并行计算能力以及存算一体的特点,使得其在神经形态计算和人工神经网络等领域的应用具有显著优势。通过采用溶液旋涂法,在空气环境下成功制备了结构为Ag/Bi_(2)S_(3)/ITO的忆阻器件,并对器件的忆阻特性进行了测试。直流Ⅰ-Ⅴ循环测试结果表明,所制备的忆阻器具有极低的开关电压和良好的一致性。此外,通过设置合适的脉冲测试条件进一步获得了线性的电导调节特性。最后,将具有非易失特性的Ag/Bi_(2)S_(3)/ITO忆阻器作为人工突触和神经元建模,利用Python构建了用于手写数字识别的全连接神经网络,其线性可调节电导特性作为网络的权重更新,获得了高达87.46%的数字识别准确率,该研究结果为新型低功耗类脑芯片提供了一种可行的应用方案。

基于光致变色钙钛矿材料的非接触式图像识别

视觉是人类获取信息的主要来源。用于视觉系统模拟的人工图像识别是发展人工智能技术的关键一环。当前,光电突触凭借存算一体式处理光信号的特点被广泛应用于视觉模拟领域,但是突触的光电转换需要对输入光信号进行接触式处理,从而导致大量的能量消耗。针对这个问题,研究了基于光致变色钙钛矿薄膜的全光人工突触,它在紫外和可见光触发下,从光透过率的变化上表现出显著的突触特性,包括配对脉冲易化和学习能力。利用循环神经网络处理随时间变化的透射率数据,实现了对数字图像的二元识别,识别精度从第1个循环就稳定在100%。该器件具有零功耗非接触式信息读取的特点,为视觉系统模拟开辟了一条新的途径。

二维TMC忆阻器在神经形态计算中的研究进展

忆阻器和突触器件作为一种有潜力的神经形态器件,近年来得到了广泛的研究。二维过渡金属硫族化合物(2D TMC)由于其独特的性能,使基于其的电子器件制造工艺具有高集成度、高兼容性和高扩展性等优势。对基于2D TMC的高性能忆阻器在神经形态计算中的应用进行了全面的综述。首先介绍了2D TMC及其异质结在忆阻器中的应用潜力,然后基于该类材料的基本结构和物理性能,对近年来报道的器件进行了分类介绍,接着讨论了这些新兴材料和器件在神经形态计算中的应用,最后基于目前存在的问题,提出了解决方案,并对该类器件在其他场景的应用进行了展望。

绝缘层等离子处理对有机薄膜晶体管突触性能的影响

在冯·诺依曼架构陷入瓶颈的时代背景下,受生物神经启发而演化的人工突触器件获得了广泛关注,加速了人们迈向人工智能时代的脚步。本文通过在P型有机薄膜晶体管(OTFT)绝缘层SiO2表面进行等离子处理,探究了界面处理引入羟基对OTFT突触性能的影响。具体对绝缘层不同等离子处理时长的OTFT进行了突触行为的模拟和对比,包括兴奋性后突触后电流(EPSC)、双脉冲易化(PPF)、长程可塑性(LTP)等。突触特性的产生是由于等离子处理给半导体层/绝缘层界面引入的羟基对电子进行了捕获。而随着等离子处理时间的增加,绝缘层表面更多的羟基使得OTFT表现出更强的记忆和保持能力、更高的线性度,更有利于其在类脑学习、神经计算等方面的应用。

基于二维钙钛矿的阻变存储器和突触器件研究

基于二维钙钛矿优异的光学特性及二维结构下特殊的电学性质,该文综述了近年来基于二维钙钛矿的纳米电子器件.利用二维材料在垂直平面方向固有的电荷传输限制,基于二维钙钛矿的阻变存储器可以达到10 pA的极低工作电流;在人工突触领域,二维钙钛矿的应用可使能耗降低至400 fJ/spike,接近生物突触的能耗.最后讨论了二维钙钛矿应用在相关器件中的稳定性问题,分析在光照条件下容易发生的严重分解现象,并阐述了近年来提出的阻止碘流失的致密二维材料包覆技术,以及尚待解决的问题.未来,二维钙钛矿有望广泛应用于存储器、仿生突触等领域.

具有短程抑制特性的超低功耗全碳质子突触器件

短程突触可塑性保证了对神经形态计算系统中神经信息处理和短程记忆的动态调节。短程易化特性(STF)在多种人工突触器件中被广泛报道,与之相比短程抑制特性(STD)的研究则进展缓慢,仅有为数不多的器件表现出STD特性,并且其单个刺激下的功耗比生物突触(1~10 fJ)高出许多。本研究提出了一种室温下通过溶液法制备的新型石墨烯/氧化石墨烯/石墨烯(G/GO/G)质子突触器件,该器件在几十毫伏的连续脉冲电压刺激下表现出电导逐渐下降的特性,这种特性源于质子在GO/G界面处连续积累导致的逐渐增强的反向质子电流。G/GO/G器件可以很好地模拟STD突触特性。由于操作电压和电流极小,器件单个刺激下的最低功耗可低至几十阿焦,此超低功耗特性有助于解决散热问题从而实现高度集成的神经形态电路。因此,全碳结构器件在脑内植入神经假体领域有很好的应用前景。

氧化锌/氧化钽双介质层忆阻器的突触特性分析

针对TaOx单介质层忆阻器在高低阻态突变切换和高运行功耗对突触可塑性模拟方面的不足,提出将氧化锌介质层引入Ti/TaOx/ITO忆阻器中的方案,拟改善其突触性能.研究发现,器件Ti/ZnO/TaOx/ITO在功耗和电导调制线性度方面皆有改善,并有着电阻渐变的行为,利于器件突触功能的实现及应用.为此对Ti/ZnO/TaOx/ITO双介质层器件进行电压脉冲训练,并成功模拟学习饱和、经验学习,以及短时程记忆向长时程记忆转变等生物突触行为.