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浙江大學(xué)團(tuán)隊(duì)的硅基神經(jīng)突觸器件研究獲突破

文章來源：未知更新時(shí)間：2018-12-05 15:46:33

據(jù)報(bào)道，近日，浙江大學(xué)硅材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的楊德仁院士和皮孝東教授等人利用硅納米晶體的突出光電性能，制備出了能耗可以低至皮焦耳（pJ）光遺傳學(xué)啟發(fā)的神經(jīng)突觸器件。這些器件首次實(shí)現(xiàn)了神經(jīng)突觸器件的電刺激（光輸出）。它們能夠模擬生物神經(jīng)突觸的一系列重要的行為如短程可塑性、長程可塑性和尖峰時(shí)序可塑性。它們也可以進(jìn)行邏輯計(jì)算，有望實(shí)現(xiàn)存儲和計(jì)算的一體化。相關(guān)研究成果發(fā)表在了學(xué)術(shù)期刊Nano Energy（《納米能源》）上。

目前的計(jì)算主要基于馮·諾依曼架構(gòu)，其主要實(shí)現(xiàn)形式就是以電子晶體管為核心的集成電路。半個(gè)多世紀(jì)以來，集成電路的發(fā)展一直遵循摩爾定律。然而，時(shí)至今日，摩爾定律的失效已經(jīng)近在咫尺，即集成電路的集成度已經(jīng)逼近極限。集成電路目前最迫切需要解決的問題是高度集成所導(dǎo)致的高能耗，我們很多人感受過的電腦發(fā)燙就是因?yàn)榧呻娐返哪芎拇蟆?/p>

眾所周知，人腦具有高智能和低能耗的特點(diǎn)，所以發(fā)展模擬人腦的神經(jīng)擬態(tài)計(jì)算成為了一種非常誘人的選擇。另外，神經(jīng)擬態(tài)計(jì)算也可以有力推動機(jī)器學(xué)習(xí)等人工智能的發(fā)展。考慮到在生物神經(jīng)系統(tǒng)中，信號的傳遞都是通過神經(jīng)突觸實(shí)現(xiàn)的，所以模擬生物神經(jīng)突觸的神經(jīng)突觸器件就成為了發(fā)展神經(jīng)擬態(tài)計(jì)算所必需的核心器件。

近年來，人們已經(jīng)制備出了電刺激-電輸出的神經(jīng)突觸器件。從2017年開始，人們意識到，借鑒神經(jīng)科學(xué)中的光遺傳學(xué)研究成果，把光引入神經(jīng)突觸器件，有望顯著改善神經(jīng)突觸器件及其集成所形成的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的性能。前期這些引入了光的光電神經(jīng)突觸器件在光的刺激下輸出電信號，可以很好地模擬生物神經(jīng)突觸的行為。但是，從神經(jīng)突觸器件集成形成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的角度考慮，在電刺激下輸出光信號的神經(jīng)突觸器件也是必需的，這樣才能實(shí)現(xiàn)光電的相互轉(zhuǎn)換，從而形成光電集成的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

在楊德仁和皮孝東教授等人的工作中，他們發(fā)現(xiàn)硅納米晶體的發(fā)光器件可以在電脈沖的刺激下發(fā)光，其發(fā)光大約在20毫秒內(nèi)衰減，這與生物神經(jīng)突觸的信號傳遞類似。這促使他們制備了基于硅納米晶體的電刺激-光輸出的光電神經(jīng)突觸器件。楊德仁和皮孝東研究團(tuán)隊(duì)的趙雙易博士介紹說，這些器件能夠模擬生物神經(jīng)突觸的可塑性的原因在于注入到硅納米晶體的電子可以被硅納米晶體表面的電子陷阱所俘獲，然后被釋放而隧穿至相鄰的硅納米晶體。有意思的是，通過把硅納米晶體發(fā)光器件的電刺激與發(fā)光功率關(guān)聯(lián)還可以實(shí)現(xiàn)“與”和“或”邏輯門，而把硅納米晶體發(fā)光器件的電刺激與器件電阻關(guān)聯(lián)則可以實(shí)現(xiàn)“非與”和“非或”邏輯門。表明基于硅納米晶體的光電神經(jīng)突觸器件具有邏輯運(yùn)算功能。

半導(dǎo)體硅是馮·諾依曼計(jì)算中最核心的材料。半個(gè)多世紀(jì)來發(fā)展日趨完善的半導(dǎo)體硅材料及其相關(guān)技術(shù)是否也能在新興的神經(jīng)擬態(tài)計(jì)算中得到重要應(yīng)用是一個(gè)很令人感興趣的問題。楊德仁和皮孝東等科學(xué)家的工作正在試圖回答這個(gè)問題。作為一種重要的硅材料形態(tài)，硅納米晶體憑借其突出的光電性能已經(jīng)在面向神經(jīng)擬態(tài)計(jì)算的器件應(yīng)用中展現(xiàn)出了發(fā)展?jié)摿Α＿@將鼓勵(lì)人們針對硅基神經(jīng)擬態(tài)計(jì)算中的核心器件如神經(jīng)突觸器件及其集成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行更加深入的研究。

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