劉益春 林亞 王中強(qiáng) 徐海陽

(東北師范大學(xué),紫外光發(fā)射材料與技術(shù)教育部重點實驗室,長春 130024)

1 引 言

隨著大數(shù)據(jù)時代的來臨,傳統(tǒng)的“馮·諾依曼”計算機(jī)架構(gòu)中處理器與存儲器之間數(shù)據(jù)傳輸面臨著高能耗和低效率問題.人腦能夠?qū)⑿畔⒋鎯εc處理合二為一,在進(jìn)行大規(guī)模并行運算和深度學(xué)習(xí)時,極大程度降低功耗.因而發(fā)展類腦智能器件,構(gòu)建類腦型計算系統(tǒng),是人工智能領(lǐng)域的重要突破方向.新興的非線性電子元件—憶阻器,其阻值可隨流經(jīng)電荷而發(fā)生動態(tài)變化,同時具備整合存儲和處理的特性,被認(rèn)為是發(fā)展人工神經(jīng)突觸的理想選擇.憶阻器是繼電阻、電容、電感之后的第四種無源電子元件[1].1971年,美國加州大學(xué)伯克利分校的蔡少棠教授首次提出了憶阻器的概念,直至2008年,惠普實驗室在《Nature》雜志上報道了首個可行的憶阻器原型器件[2].憶阻器的阻態(tài)變化源于電介質(zhì)內(nèi)部離子遷移所誘導(dǎo)的導(dǎo)電細(xì)絲通斷或界面移動,按電阻演變行為,可劃分為阻值突變的“數(shù)字型”憶阻器和阻值漸變的“模擬型”憶阻器,前者以其非易失的特性被廣泛應(yīng)用于信息存儲,而后者離子遷移/擴(kuò)散過程和與生物突觸中Ca2+離子動力學(xué)過程高度匹配,被廣泛應(yīng)用于人工突觸模擬.

目前,憶阻器因其新穎特性成為材料、信息、電子等領(lǐng)域的研究前沿,并在非線性電路、新型非易失存儲、邏輯運算、存算一體化技術(shù)和人工神經(jīng)突觸方向展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力.研究人員已開發(fā)出具有速度快(讀寫時間 < 100 ps)[3,4]、循環(huán)耐受好(＞ 1012次)[5]、讀寫功耗低(< 60 fJ)[6,7]的憶阻器件,能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)存儲和邏輯運算的整合,為開發(fā)體積更小、更節(jié)能的計算系統(tǒng)提供了新設(shè)計思路[8].另一方面,憶阻器的電學(xué)特性和神經(jīng)突觸的傳輸特性高度相似,使其具備自主學(xué)習(xí)能力,利用單個憶阻器能夠模擬一個神經(jīng)突觸的基本功能.與傳統(tǒng)的集合多個晶體管及電容來模擬一個突觸相比,減少了能耗,降低了電路設(shè)計的復(fù)雜性; 而納米尺度的憶阻器件具有高集成度,使得在單一芯片中實現(xiàn)與人腦容量想比擬的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)成為了可能.同時,憶阻器與神經(jīng)突觸電學(xué)特性的相似性源自于憶阻器本身的電學(xué)行為,這樣弱化了傳統(tǒng)突觸仿生過程中引入外部信號設(shè)計的主觀因素,有利于更準(zhǔn)確地模擬神經(jīng)突觸.因此,利用憶阻器模擬神經(jīng)突觸的學(xué)習(xí)功能更是成為研究熱點,備受國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注.多種神經(jīng)突觸功能已被憶阻器模擬,如放電時間依賴可塑性(STDP)[9]、長/短時突觸可塑性[10]、大腦經(jīng)典條件反射功能[11]等,并能夠利用憶阻器創(chuàng)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片實現(xiàn)模式分類功能[12].

憶阻器可以看做為一種離子-電子耦合型器件,其電阻轉(zhuǎn)變行為伴隨著電子輸運、離子遷移及其氧化還原反應(yīng).無論兩端型還是三端型憶阻器件,其內(nèi)部離子遷移/擴(kuò)散的二階動力學(xué)過程能夠與生物突觸中Ca2+離子遷移高度匹配,有助于精確模擬神經(jīng)突觸功能[13].為了滿足憶阻器的性能和功能需求,研發(fā)高性能憶阻材料體系,一直以來是關(guān)鍵的科學(xué)問題.目前,有多種材料相繼被提出構(gòu)筑憶阻神經(jīng)突觸,包括無機(jī)金屬氧化物、硫族化合物、碳材料、有機(jī)材料等.近幾年來,二維材料也因其新奇的物理特性被證實在功能材料器件領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用潛力,一些研究團(tuán)隊將二維材料引入到憶阻器成功實現(xiàn)邏輯運算和突觸仿生功能[14-16].相比其他憶阻材料,金屬氧化物具有優(yōu)異的光、電、磁等多功能特性,是電子、信息、能源等技術(shù)領(lǐng)域的重要基礎(chǔ)材料.特別是低維氧化物半導(dǎo)體,具有易于調(diào)控氧離子缺陷態(tài),且其費米能級和電阻可以通過氧缺陷態(tài)含量進(jìn)行調(diào)控,被認(rèn)為是當(dāng)下發(fā)展高性能憶阻器件的理想材料.本文綜述了目前基于氧化物材料的憶阻行突觸器件物理機(jī)制、功能模擬、應(yīng)用方向,并展望了憶阻器件在超低功耗器件、存算一體化技術(shù)和光遺傳學(xué)模擬方面的應(yīng)用前景.

2 氧化物憶阻器件行為及運行機(jī)制

2.1 憶阻器分類:數(shù)字型與模擬型

憶阻器,按工作模式,可分為數(shù)字型憶阻器和模擬型憶阻器.數(shù)字型憶阻器的阻態(tài)隨著電壓的掃描呈離散型的變化,具有能夠相互轉(zhuǎn)換的兩個電阻態(tài): 高阻態(tài)和低阻態(tài).若以二者分別對應(yīng)計算機(jī)中的“0”和“1”兩個狀態(tài),可以將該類型憶阻器應(yīng)用于非易失性存儲[17,18].如圖1(a)所示為一個典型的Pt/TiO2/Pt結(jié)構(gòu)的阻變式存儲器的I-V特性,器件能夠在正向(負(fù)向)掃描電壓下,實現(xiàn)高(低)阻態(tài)向低(高)阻態(tài)的轉(zhuǎn)變[2].阻變存儲器其結(jié)構(gòu)簡單,可集成度高,被認(rèn)為是下一代非易失存儲器的重要候選之一.

模擬型憶阻器的阻態(tài)能夠隨著電壓掃描呈連續(xù)型變化,器件阻值可以隨施加電壓而發(fā)生變化,并能夠記住改變后的狀態(tài).如圖1(b)為Pd/WOx/W結(jié)構(gòu)的模擬型憶阻器I-V特性[19].其獨特的電學(xué)性質(zhì)和神經(jīng)突觸的傳輸特性相似,即兩者傳遞信息的能力被外界刺激動態(tài)調(diào)制.在結(jié)構(gòu)上,兩端型憶阻器和突觸相似: 憶阻器的頂電極、中間絕緣層和底電極與生物突觸的突觸前膜、突觸間隙和突觸后膜相對應(yīng).具有納米尺度的憶阻器,其高的集成度有望達(dá)到生物神經(jīng)系統(tǒng)中突觸的密度.因此,基于模擬型憶阻器能夠模擬人工神經(jīng)突觸,進(jìn)而應(yīng)用在新型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及人工智能等領(lǐng)域.

圖1 (a)基于Pt/TiO2/Pt結(jié)構(gòu)的數(shù)字型憶阻變行為,插圖為器件結(jié)構(gòu)示意圖[2];(b)基于Pd/WOx/W結(jié)構(gòu)的模擬型憶阻器憶阻行為,插圖為器件結(jié)構(gòu)示意圖[19]Fig.1.(a)The digital memristive hebavior obtained in Pt/TiO2/Pt memristor.The insert is the corresponding structure diagram of the device.[2](b)the analog memristive habevior obtained in Pd/WOx/W memristor.The insert is the corresponding structure diagram of the device[19].

2.2 數(shù)字型憶阻器模型

導(dǎo)電細(xì)絲機(jī)制是大多數(shù)氧化物薄膜憶阻器發(fā)生阻變行為的原因.該模型認(rèn)為在SET過程中,氧化物絕緣層內(nèi)部形成能夠連接頂?shù)纂姌O的導(dǎo)電細(xì)絲并且這種細(xì)絲具有金屬特性,使得器件由高阻態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥钁B(tài); 當(dāng)RESET時低阻態(tài)向高阻態(tài)轉(zhuǎn)變則歸因于這種導(dǎo)電細(xì)絲的斷裂.而根據(jù)導(dǎo)電細(xì)絲的組成成分可以將該模型進(jìn)一步分類為金屬離子遷移模型和氧離子遷移模型.

金屬離子遷移: 在該模型中,憶阻器以活性金屬(Ag、Cu等)為頂電極,以惰性金屬(Pt、Au等)為底電極.如圖2所示,中科院微電子所Liu研究組在Ag/ZnO:Mn/Pt憶阻器中原位觀測到了金屬導(dǎo)電通道[20].在Ag一側(cè)施加正電壓時,活性金屬被氧化成離子狀態(tài),在電場下遷移至底電極.Ag離子在底電極被注入的電子還原成Ag原子,并逐步堆積成Ag導(dǎo)電通道貫穿整個ZnO:Mn薄膜,器件從高阻態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥钁B(tài); 當(dāng)施加反向電壓時,氧化還原反應(yīng)會導(dǎo)致Ag導(dǎo)電細(xì)絲斷裂,器件從低阻態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦咦钁B(tài).美國密歇根大學(xué)Lu實驗組總結(jié)發(fā)現(xiàn),導(dǎo)電細(xì)絲的形狀與金屬離子在電介質(zhì)中的遷移率(μ)和氧化還原速率(Γ)有關(guān)[21]: 當(dāng)高的μ和高的Γ時,導(dǎo)電細(xì)絲從負(fù)極開始生長,形成倒錐形; 當(dāng)?shù)偷摩毯偷偷摩r,導(dǎo)電細(xì)絲從正極開始生長,形成正錐形; 當(dāng)?shù)偷摩毯透叩摩r,金屬原子先在電介質(zhì)中成核,逐漸連接兩端電極; 當(dāng)高的μ和低的Γ時,導(dǎo)電細(xì)絲負(fù)極開始生長,形成樹枝狀結(jié)構(gòu).

氧離子遷移: 在該模型中,憶阻器均以惰性電極為頂?shù)纂姌O.如圖3所示為Pt/ZnO/Pt 結(jié)構(gòu)憶阻器不同加電時間下的原位透射電鏡(TEM)圖,電場在SET過程中,電場能夠誘導(dǎo)氧化物薄膜中氧離子發(fā)生遷移,形成大量的氧空位缺陷態(tài),大量氧空位堆積貫穿整個薄膜,使得器件從高阻態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥钁B(tài); 施加反向電壓時,氧空位與氧結(jié)合,導(dǎo)電細(xì)絲斷裂,器件從低阻態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦咦钁B(tài)[22].除ZnO材料外,格勒諾布爾大學(xué)David Cooper 在SrTiO3憶阻器中,利用TEM輔以電子能量損失譜觀測到了高阻態(tài)和低阻態(tài)不同氧分布[23]; 中科院物理研究所Bai研究組,利用高分辨TEM證實熒石結(jié)構(gòu)的CeO2單晶薄膜憶阻器,在低阻態(tài)時形成了氧空位,出現(xiàn)了空位超晶格[24].國立首爾大學(xué)Hwang研究組在TiO2基憶阻器中觀測到高低阻態(tài)的轉(zhuǎn)變?yōu)門iO2與Ti4O7(Magneli相)之間的轉(zhuǎn)變[25].除了利用原位TEM技術(shù)之外,研究人員往往采用變溫測試離子擴(kuò)散系數(shù),高低阻態(tài)的導(dǎo)電類型等手段,間接證明氧離子遷移模型.

圖2 (a,b)Ag/ZnO:Mn/Pt結(jié)構(gòu)憶阻器原位透射電鏡圖;(c,d)導(dǎo)電通道內(nèi)部和外部的能譜圖[20]Fig.2.(a,b)The in situ TEM images of Ag/ZnO:Mn/Pt memristor.(c,d)EDX spectrum collected inside and outside of conductive channels[20].

肖特基勢壘調(diào)制模型: 金屬與氧化物之間的肖特基勢壘也是憶阻器實現(xiàn)電阻變化的位置.Stanley Williams 研究組提出通過調(diào)制Pt/TiO2界面的肖特基勢壘高度能夠?qū)崿F(xiàn)高低阻態(tài)的轉(zhuǎn)變[26].如圖所示,Williams 研究組設(shè)計了圖4左側(cè)的測試實驗,其中Pt和Ti分別與TiO2呈肖特基接觸和歐姆接觸.實驗發(fā)現(xiàn)(圖右側(cè)所示)如: 當(dāng)器件處于低阻態(tài)時Pt和TiO2之間的肖特基勢壘消失,而高阻態(tài)時勢壘重新恢復(fù).當(dāng)?shù)纂姌O加正偏壓時,陽離子在電場作用下向Ti電極一側(cè)遷移,Pt與TiO2界面氧空位堆積進(jìn)而降低肖特基勢壘高度,降低器件電阻; 當(dāng)反向施加電壓時,陽離子與氧空位復(fù)合,肖特基勢壘恢復(fù),電阻升高.

圖3 (a-c)Pt/ZnO/Pt 結(jié)構(gòu)憶阻器不同加電時間下的原位透射電鏡圖;(d-f)不同掃描時間下的I-V曲線[22]Fig.3.(a-c)The in situ TEM images of Pt/ZnO/Pt memristor under the voltage sweep with differernt time.(d-f)the corresponding I-V measurements of Pt/ZnO/Pt memristor under the voltage sweep with differernt time[22].

圖4 左側(cè)(a-b)Pt/TiO2-x/Ti器件結(jié)構(gòu)示意圖,其中Pt/TiO2-x界面為肖特基接觸,Ti/TiO2-x界面為歐姆接觸; 右側(cè)(a-d)電極與TiO2-x層勢壘的變化[26]Fig.4.In the left:(a,b)Structure diagram of Pt/TiO2-x/Ti memristor,in which Pt/TiO2-x presents Schottky contact and Ti/TiO2-x is Ohmic contact.In the right:(a-d)the modulation of barrier between the electrode and TiO2-x layer[26].

2.3 模擬型憶阻器機(jī)制

自2008年惠普團(tuán)隊基于TiO2材料首次制備了實體的憶阻器件以后,多個研究小組在不同的氧化物材料中均發(fā)現(xiàn)了憶阻行為,如InGaZnO[27]、WOx[19,28]、SrTiO3[29]等.憶阻行為出現(xiàn)具有普遍性,目前具有代表性的憶阻模型主要有以下三種:

圖5 惠普實驗室提出的憶阻模型(a)憶阻器結(jié)構(gòu)示意圖;(b,c)計算機(jī)模擬憶阻器在電壓作用下的電學(xué)響應(yīng)[2]Fig.5.The memristive model proposed by HP's lab:(a)Schematic diagram of memristor,(b,c)computer simulated the electrical response of memristor under voltage sweep[2].

導(dǎo)電前端移動模型: 該模型是由惠普團(tuán)隊最早所提出的憶阻模型,如圖5(a)所示,其結(jié)構(gòu)為兩端類型: 頂、底電極和中間絕緣層.絕緣層由一層為未摻雜(undoped)的TiO2薄膜和一層摻雜(doped)的TiO2薄膜組成[2].符合化學(xué)計量比的TiO2薄膜為低導(dǎo)電性(ROFF),而摻雜后的TiO2薄膜內(nèi)部氧空位增多,薄膜呈現(xiàn)高導(dǎo)電性(RON),器件相當(dāng)于高低阻值的電阻串聯(lián).當(dāng)對器件施加電場的時候,氧空位在兩層之間遷移,壓縮undoped區(qū)域的寬度,從而改變器件的電阻.其數(shù)學(xué)表達(dá)關(guān)系式為:

其中i(t),v(t)分別表示電流和電壓,D為整體器件的寬度,w(t)為摻雜區(qū)域所占整體器件寬度的比例.從以上關(guān)系式可以得出: 當(dāng)w(t)減小時,整體器件阻值增大; 當(dāng)w(t)增加時即摻雜區(qū)域增大時,整體器件阻值降低;

惠普團(tuán)隊提出的導(dǎo)電前端移動的模型具有普適性,在不同的材料體系中均能實現(xiàn)穩(wěn)定的憶阻行為.然而在現(xiàn)有的模型中,電阻的減小和增大均由外電場驅(qū)動完成,而電場誘導(dǎo)電阻減小后對器件內(nèi)部自發(fā)動力學(xué)過程描述,對模擬神經(jīng)突觸的遺忘過程具有重要意義.東北師范大學(xué)Liu研究組利用非晶氧化物同質(zhì)結(jié)界面調(diào)控了氧離子漂移和定向擴(kuò)散過程(如圖6(a)),證實了器件內(nèi)部氧離子的遷移和擴(kuò)散過程與器件電阻減小和自發(fā)增大之間的關(guān)系,并以此來模擬突觸的學(xué)習(xí)和遺忘過程[27].如圖6(b)所示,單一脈沖激勵器件時,隨著電壓的施加,電流增大; 而當(dāng)電壓脈沖撤去時,電流隨著時間推移逐漸衰減至零,這一現(xiàn)象和突觸的興奮性后電流相似.其物理機(jī)制可以描述為: 利用材料中連續(xù)分布的氧離子缺陷態(tài)漂移過程,實現(xiàn)電場激勵動態(tài)響應(yīng)的“記憶”功能; 利用退激勵下界面自建電場和濃度梯度的差異調(diào)控氧離子定向擴(kuò)散過程,準(zhǔn)確模擬神經(jīng)突觸通道內(nèi)的“遺忘”功能.為了證實這種濃度差異引起的氧離子擴(kuò)散現(xiàn)象,Liu研究組引入了氧離子的一維擴(kuò)散方程:

其中σ(t)、σ0和σ為時間為t時,t=0時和平衡狀態(tài)時的電導(dǎo)率.通過結(jié)合弛豫時間τ′(T)和擴(kuò)散系數(shù)D(T)之間的關(guān)系τ′(T)=4L2/π2D(T)和D(T)=D0exp(-E/kT),可以得到:

其中E、L和D0分別代表氧擴(kuò)散的激活能、擴(kuò)散長度和擴(kuò)散常數(shù).通過圖6(c)中不同溫度下的弛豫過 程 獲 得 弛 豫 時 間τ′(T),并 得 出-ln(τ′-1)與1000/T之間的關(guān)系.由方程3擬合得出,激活能E=0.36 eV和室溫下擴(kuò)散系數(shù)D(T)為2.1×10—14cm2/s.以上數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)報道氧擴(kuò)散激活能和擴(kuò)散系數(shù)接近[30],證實了氧離子的擴(kuò)散和弛豫過程的關(guān)系.

圖6 (a)非晶InGaZnO基憶阻器件與神經(jīng)突觸結(jié)構(gòu)對應(yīng)圖;(b)單一脈沖在憶阻器中誘導(dǎo)產(chǎn)生的興奮性后電流;(c)不同溫度下突觸權(quán)重的衰減行為,實現(xiàn)為單e指數(shù)擬合曲線;(d)基于方程3擬合-ln(τ′-1))與1000/T之間的關(guān)系[27]Fig.6.(a)The structural diagram of the bilayer α-InGaZnO memristor and a schematic illustration of the synapse between neurons.(b)the EPSC induced by a single pulse.(c)memory decay curves recorded after different numbers of stimuli(dots),the data was fitted by single exponential function.(d)plot of-ln(τ′-1)against 1000/T following equation 3[27].

導(dǎo)電細(xì)絲數(shù)量調(diào)控模型: 除了雙層結(jié)構(gòu)的憶阻器之外,單層氧化物材料也能實現(xiàn)憶阻行為.美國密歇根大學(xué)Lu實驗組構(gòu)筑了基于WOx薄膜的憶阻器,同樣實現(xiàn)了器件阻態(tài)的連續(xù)調(diào)節(jié)[31].研究者認(rèn)為,構(gòu)建雙層結(jié)構(gòu)并不是實現(xiàn)憶阻行為的必要條件,且導(dǎo)電前端模型并不適合于解釋其憶阻行為.相對應(yīng)的,該憶阻器的憶阻機(jī)理是通過增加或減少WOx薄膜內(nèi)部氧空位導(dǎo)電細(xì)絲的數(shù)目來實現(xiàn)對阻態(tài)的調(diào)控.如圖7(a)所示,憶阻器結(jié)構(gòu)為Pd/WOx/W,對其進(jìn)行正負(fù)電壓掃描時,電阻的逐漸降低和增加證實了器件的憶阻特性.圖7(b)給出了相應(yīng)的機(jī)理解釋: 在外加電壓作用下,氧離子的遷移改變了氧空位導(dǎo)電通道數(shù)目或者有效橫截面積.由于氧空位導(dǎo)電通道電阻低,當(dāng)其數(shù)目增加時,器件電阻降低; 當(dāng)其數(shù)目減少時,器件電阻增大.

肖特基勢壘調(diào)制模型: 基于單一材料體系構(gòu)筑的憶阻器件,除了調(diào)節(jié)阻變層本身電阻之外,電極與絕緣層之間勢壘的調(diào)制也是一種實現(xiàn)憶阻行為的有效方法.如圖8(a)所示,在金屬-絕緣體-金屬結(jié)構(gòu)的憶阻器中,左側(cè)金屬與絕緣體為肖特基接觸,右側(cè)為歐姆接觸.當(dāng)右側(cè)加正電壓時,氧離子向右側(cè)電極遷移,使得勢壘區(qū)氧空位增加,降低肖特基勢壘高度,從而降低器件電阻; 當(dāng)反向時,電場驅(qū)動氧離子向左側(cè)遷移,中和勢壘區(qū)氧空位,增加肖特基勢壘高度,從而增加器件電阻.基于該理論模型,華中科技大學(xué)Guo研究團(tuán)隊構(gòu)筑了Pt/SrTiO3/Nb-SrTiO3結(jié)構(gòu)的勢壘調(diào)制型憶阻器[29],如圖8(b)所示,器件的電導(dǎo)值能在正向脈沖下連續(xù)增加,負(fù)向脈沖下連續(xù)減小,具有穩(wěn)定的憶阻行為.

圖7 (a)基于Pd/WOx/W結(jié)構(gòu)憶阻器的電學(xué)特性;(b)導(dǎo)電細(xì)絲數(shù)目模型機(jī)制圖[31]Fig.7.(a)The I-V characteristic of Pd/WOx/W memristor.(b)memtistive mechanism diagram of modulating conductive filaments[31].

圖8 (a)界面肖特基勢壘調(diào)制憶阻模型示意圖;(b)基于Pt/SrTiO3/Nb-SrTiO3結(jié)構(gòu)憶阻器在脈沖模式下的阻變行為[29]Fig.8.(a)Schematic diagram of the memristive model by modulating Schottky barrier.(b)the potentiation and depression of Pt/SrTiO3/Nb-SrTiO3 memristor obtained under positive and negative pulses,respectively[29].

3 憶阻型突觸器件認(rèn)知功能模擬

3.1 基本傳輸特性

神經(jīng)突觸作為神經(jīng)元之間相互接觸部位,具有獨特的非線性傳輸特性.神經(jīng)突觸的連接強(qiáng)度決定著信息傳遞的效率,能夠動態(tài)地隨刺激信號的訓(xùn)練而改變,并保持連續(xù)變化的狀態(tài).而憶阻器的阻值能夠隨流經(jīng)電荷量發(fā)生變化并能記住該變化量.如圖9(a,b)所示,對憶阻器連續(xù)地施加正向/負(fù)向掃描電壓時,器件電流會隨之連續(xù)的增加/減少[27].在脈沖模式下,器件的連接強(qiáng)度可以通過連續(xù)的施加脈沖而發(fā)改變,如圖9(c):和I-V曲線一致,連續(xù)的正(負(fù))脈沖施加時,電流增加(減小).這種非線性傳輸不僅和生物突觸具有相似的特性,而且為憶阻器模擬生物突觸的學(xué)習(xí)功能提供了重要基礎(chǔ).

3.2 突觸可塑性

神經(jīng)突觸的重要特性之一是其具有突觸可塑性: 突觸傳遞效率發(fā)生增強(qiáng)或減弱的變化現(xiàn)象,按記憶的時間長短可以分類為短時程突觸可塑性(short-term plasticity,STP)和長時程突觸可塑性(long-term plasticity,LTP)[32-34].STP對應(yīng)于突觸的連接受刺激后的短暫增強(qiáng)或減弱; 而LTP則對應(yīng)于突觸連接持久的改變.前者往往對短時記憶有重要作用,被認(rèn)為能夠幫助大腦過濾掉不必要的信息,而后者能在短時記憶的基礎(chǔ)上經(jīng)過反復(fù)訓(xùn)練形成永久性記憶,這兩者已被公認(rèn)為是學(xué)習(xí)記憶活動的細(xì)胞水平的生物學(xué)基礎(chǔ).

3.2.1 短時可塑性(STP)

生物突觸在接受刺激后,會在突觸前神經(jīng)元瞬時積累Ca2+,這些Ca2+能夠影響突觸活動中神經(jīng)遞質(zhì)的釋放,進(jìn)而影響突觸權(quán)重的變化.當(dāng)相同強(qiáng)度的兩個刺激連續(xù)施加時,第二個刺激產(chǎn)生的興奮性后電流(幅值為A2)明顯會大于第一個刺激產(chǎn)生的興奮性后電流(幅值為A1),這種電流明顯增強(qiáng)的現(xiàn)象在生命科學(xué)領(lǐng)域被稱為雙脈沖易化(PPF).PPF是典型的短時可塑性表現(xiàn)形式之一.如圖10(b)插圖所示,兩個刺激的時間間隔為Δt,PPF的計算方式為PPF=100%×(A2-A1)/A1.圖10(b)給出了顆粒細(xì)胞(granule cell)和浦肯野細(xì)胞(Purkinje cell)之間神經(jīng)突觸的雙脈沖易化行為: 易化增益的百分比隨脈沖對時間間隔的變化[35].從圖中可以發(fā)現(xiàn): 當(dāng)?shù)诙€刺激越靠近第一個刺激時,易化的程度越明顯; 當(dāng)?shù)诙€刺激遠(yuǎn)離第一個刺激時,易化效果不明顯.

圖9 憶阻器的非線性傳輸特性(a),(b)器件電流-電壓特性曲線;(c)在連續(xù)的增強(qiáng)/抑制脈沖下,器件電導(dǎo)上升/下降[27]Fig.9.The nonlinear transmission characteristic of memtistor.(a),(b)I-V characteristic of the device measurement under positive and negative voltage sweep,respectively.(c)the continuously increase/decrease of device conductance under positive/negative pulse[27].

圖10 (a)在憶阻器中實現(xiàn)的PPF現(xiàn)象: PPF變化量和時間間隔的關(guān)系[31];(b)浦肯野細(xì)胞(Purkinje cell)和顆粒細(xì)胞(granule cell)之間神經(jīng)突觸的雙脈沖易化行為; 插圖為連續(xù)兩個胞外刺激引起的興奮性后電流變化[35]Fig.10.(a)PPF behaviors obtained in memristor: the change of PPF as the function of the time interval.[31](b)the PPF measured in the synapse between Purkinje cell and granule cell.The insert is the EPSC induced by two extracellular stimuli[35].

美國密歇根大學(xué)Lu研究組基于WOx憶阻器實現(xiàn)了神經(jīng)突觸的雙脈沖易化行為[31].當(dāng)一個脈沖施加在器件上時,形成一定數(shù)量的氧空位導(dǎo)電細(xì)絲會增強(qiáng)器件的電導(dǎo).撤去電壓后,隨著時間推移氧空位由于濃度梯度的動力會向周圍擴(kuò)散,導(dǎo)電細(xì)絲數(shù)目減少(即有效面積減小),進(jìn)而降低器件的電導(dǎo).如果第二個電壓刺激緊接著第一個電壓刺激施加時,第一次形成的導(dǎo)電細(xì)絲并沒有完全消失,第二次形成的導(dǎo)電細(xì)絲會在此基礎(chǔ)上形成更多的導(dǎo)電細(xì)絲(即更大的有效面積),進(jìn)而會得到更高的電導(dǎo)態(tài).圖10(a)給出了實際測試得到的PPF現(xiàn)象.可以看到,當(dāng)雙脈沖時間間隔越小時,PPF變化量越大; 反之,PPF變化量越小.利用憶阻器不僅成功模擬出了突觸的PPF行為,而且實驗結(jié)果在時間量級和變化率上均和神經(jīng)突觸相符合.

3.2.2 長時可塑性(LTP)

作為長時可塑性的表現(xiàn)形式之一,放電時間依賴可塑性(STDP)規(guī)則是學(xué)習(xí)和記憶的基本機(jī)制:突觸權(quán)重能夠隨著突觸前/后刺激在下發(fā)生較為持久的改變.突觸前刺激先于突觸后刺激施加時,突觸的連接會增強(qiáng),即長時程增強(qiáng).突觸前刺激后于突觸后刺激施加時,突觸的連接會減弱,即長時程減弱[36,37].模擬STDP是神經(jīng)突觸仿生的重要環(huán)節(jié),目前多種氧化物基憶阻器被報道能夠模擬STDP 行 為 ,如 InGaZnO[27]、TiO2[38]、TaOx[39]、HfO2[40]、SrTiO3[29]等.以 InGaZnO 為例,圖11(a)給出了利用憶阻器模擬STDP的結(jié)果,器件的突觸權(quán)重的變化(ΔW)和脈沖刺激相對時序(Δt)呈現(xiàn)指數(shù)的關(guān)系: Δt< 0時,突觸權(quán)重增大,增強(qiáng)的效果隨著時間差越小而變強(qiáng); Δt ＞ 0時,突出權(quán)重減小,減弱的效果隨著時間差越小而變強(qiáng).這樣的變化和圖11(b)中老鼠海馬體神經(jīng)元的興奮性后電流和刺激的相對時序關(guān)系一致[41].

圖11 (a)基于憶阻器模擬放電時間依賴可塑性(相對突觸權(quán)重和相對刺激時間的依賴性)[27];(b)老鼠海馬體神經(jīng)元中相對刺激時間的依賴性[41]Fig.11.(a)STDP behaviors obtained by the memristor.[27](b)STDP behaviors measured in hippocampal neurons of the rats[41].

3.2.3 短時記憶向長時記憶轉(zhuǎn)化

腦學(xué)習(xí)時的短時記憶(short-term memory,STM)[42-44]和長時記憶(long-term memory,LTM)[45,46]與神經(jīng)突觸的STP/LTP相對應(yīng).STP對應(yīng)的短時記憶在時間層面上只能維持幾分鐘左右,而LTP對應(yīng)的長時記憶能夠保持幾個小時甚至更長時間.雖然短時記憶在很快的時間以內(nèi)遺忘了,但是通過反復(fù)的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練短時記憶會向長時記憶轉(zhuǎn)變(如圖12(a)所示).從微觀機(jī)制上來說,反復(fù)的學(xué)習(xí)刺激造成了突觸的連接程度的變強(qiáng),是短時記憶向長時記憶轉(zhuǎn)變的原因.

圖12 (a)短時記憶向長時記憶轉(zhuǎn)變示意圖;(b)艾賓浩斯遺忘曲線Fig.12.(a)Schematic diagram of the transition from shortterm memory(STM)to long-term memory(LTM).(b)the Ebbinghaus Forgetting Curve.

美國密歇根大學(xué)Lu實驗組基于導(dǎo)電通道有效面積(導(dǎo)電通道數(shù)目)調(diào)制的Pd/WOx/W憶阻器件,通過增加刺激次數(shù),實現(xiàn)了STM向LTM的轉(zhuǎn)化[19].如圖13(a,b),當(dāng)對器件施加5個1.3 V,持續(xù)時間1 ms,間隔200 ms的電壓脈沖時,隨著脈沖電壓的逐次施加,器件電導(dǎo)先增加隨后自發(fā)衰減,但隨著脈沖電壓施加多次后,器件的電導(dǎo)總體提高,這是由于兩個刺激的時間間隔較短,不足以使器件回到初始狀態(tài),產(chǎn)生永久的電導(dǎo)變化.除了電導(dǎo)提高之外,在重復(fù)刺激下,器件電導(dǎo)的維持時間也顯著延長.對器件施加相同的振幅、持續(xù)時間和脈沖時間間隔的脈沖序列時,隨著刺激數(shù)量N的增加,電流衰減的越來越慢(如圖13(c)所示).從圖13(d)可以看到: 弛豫時間τ隨著刺激數(shù)量的增加,明顯增加; 并且當(dāng)τ較短,對施加的刺激較為敏感,而當(dāng)τ較長,則對施加的刺激不敏感.這是由于重復(fù)刺激使得氧空位向電極與中間層的交界處遷移,并且側(cè)向的氧空位擴(kuò)散達(dá)到平衡,使得導(dǎo)電通道很難被破壞.圖13(e)給出了經(jīng)過大量刺激之后薄膜內(nèi)部導(dǎo)電分布狀態(tài)示意圖.這種通過對憶阻器件施加重復(fù)刺激可以使得其內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,很好的模擬了STM向LTM的轉(zhuǎn)化.此外,中山大學(xué)Pei研究組、印度Shivaji大學(xué)Dongale研究組和山東大學(xué)Jiang研究組同樣利用NiO[47]、ZnO[48]和InGaZnO-HfO2[49]基憶阻器實現(xiàn)了 STM向LTM的轉(zhuǎn)化.

圖13 Lu研究組模擬短時可塑性向長時可塑性的轉(zhuǎn)變(a,b)施加的脈沖信號和器件的響應(yīng)電流;(c)不同數(shù)量刺激后,記憶的保持量;(d)弛豫過程的初始電流及擬合時間參數(shù)隨刺激次數(shù)的變化;(e)長短時轉(zhuǎn)變過程中,器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化示意圖[19]Fig.13.STM-to-LTM transition obtained by Lu's group.(a,b)the response current of the device under pulse stimulus.(c)memory retention data recorded after different numbers of identical stimuli(dots)and fitted curves using the SEF(solid lines).(d)characteristic relaxation time(τ)plotted with respect to the number of stimulations(N).(e)schematic of the structural change to the memristor during the transition[19].

3.3 經(jīng)驗式學(xué)習(xí)

德國心理學(xué)家艾賓浩斯(H.Ebbinghaus)在研究人類的記憶認(rèn)知行為時發(fā)現(xiàn),不僅僅STM能夠隨著學(xué)習(xí)刺激的增加而轉(zhuǎn)化成LTM,而且第二次學(xué)習(xí)需要更少的時間/重復(fù)次數(shù),就能達(dá)到與第一次學(xué)習(xí)相同的程度[50],這種易化過程被稱為經(jīng)驗式學(xué)習(xí).之前的研究部分完成了艾賓浩斯記憶曲線中STM向LTM轉(zhuǎn)化的過程,東北師范大學(xué)Liu研究組基于InGaZnO憶阻器進(jìn)一步模擬了具有STM向LTM轉(zhuǎn)化和經(jīng)驗式學(xué)習(xí)行為的完整艾賓浩斯曲線[27].如圖14所示,對雙層a-InGaZnO結(jié)構(gòu)的憶阻器施加70個刺激脈沖時,突觸權(quán)重逐漸增強(qiáng),撤去激勵脈沖后,會出現(xiàn)突觸權(quán)重自發(fā)遺忘過程.緊接著,當(dāng)突觸器件接受第二次刺激的時候,學(xué)習(xí)到和第一次的相同的程度只需要相對少的4個刺激脈.器件行為表明有學(xué)習(xí)經(jīng)驗的記憶單元要比沒有經(jīng)驗的更容易再次獲得信息.

圖14 突觸仿生器件的 “經(jīng)驗式行為”和器件運行動力學(xué)模型(a)突觸權(quán)重隨脈沖刺激近線性增加;(b)電導(dǎo)自發(fā)弛豫過程;(c)基于中間態(tài)的再次學(xué)習(xí)過程; 插圖為器件運行的氧離子遷移擴(kuò)散機(jī)制[27]Fig.14.The “l(fā)earning-experience” behaviors,and the dynamic model of device operation.(a)Nearly linear increase of the synaptic weight with consecutive stimuli.(b)the spontaneous decay of the conductivity.(c)re-stimulation process from the mid-state.The inset illustrates an oxygen ion migration/diffusion model of device operation[27].

3.4 非聯(lián)合式/聯(lián)合式學(xué)習(xí)

非聯(lián)合和聯(lián)合式學(xué)習(xí)均屬于高階學(xué)習(xí)行為,前者不需要在刺激和反應(yīng)之間形成某種明確的聯(lián)系[51,52]; 而后者會在刺激和反應(yīng)之間形成一定的聯(lián)系[53].習(xí)慣化屬于典型的非聯(lián)合式學(xué)習(xí)(如圖15(a)所示): 當(dāng)相同的刺激反復(fù)使用后,突觸的行為反應(yīng)強(qiáng)度會下降.通過習(xí)慣化,動物和人類學(xué)會忽視那些已經(jīng)喪失了新奇性或無意義的刺激,而將注意力轉(zhuǎn)向更重要的刺激.而已經(jīng)習(xí)慣化的動物或人類一旦接受到了新的刺激,又會引起它們的注意,這一過程叫去習(xí)慣化.Yang等人基于HfOx憶阻器實現(xiàn)了習(xí)慣化和去習(xí)慣化的模擬[54].如圖15(b)所示,器件接受連續(xù)的負(fù)脈沖時(幅值-1 V,脈沖間隔 30 ms),器件電流逐漸減弱.該突觸器件呈現(xiàn)習(xí)慣化,即對不強(qiáng)烈的刺激逐漸熟悉,不產(chǎn)生相應(yīng)的響應(yīng); 而對習(xí)慣化的器件施加新的正向刺激(幅值0.45 V,脈沖間隔 30 ms),器件電流明顯增加,新的刺激引起了強(qiáng)烈的反應(yīng),呈現(xiàn)去習(xí)慣化.

著名的巴普洛夫經(jīng)典條件反射屬于典型的聯(lián)合式學(xué)習(xí).圖16(a)巴普洛夫條件反射的原型: 實驗中,給狗喂食物(非條件刺激,UCS),狗會分泌唾液; 對狗搖鈴(中性刺激,NS),狗不會有反應(yīng);但經(jīng)過同時對狗進(jìn)行喂食和搖鈴以后,單獨的搖鈴(條件刺激,CS)也會讓狗分泌唾液.鈴聲從原來的中性刺激變成了條件刺激.巴普洛夫狗實驗讓原本不產(chǎn)生反射的刺激經(jīng)過和產(chǎn)生反射的刺激聯(lián)合后,最終也能產(chǎn)生一定的條件反射[55-57].華中科技大學(xué)Guo研究組以Ni/Nb-SrTiO3/Ti憶阻器為基礎(chǔ),圖16(b)給出了模擬巴普洛夫狗實驗的簡單電路,包括一個憶阻器、一個定值電阻(10 KΩ)和一個示波器[58].UCS為一個脈沖序列,幅值從4 V逐漸增加到5.5 V; CS為一個脈沖序列,包含一個正向的5.5 V脈沖和一個負(fù)向的3.5 V脈沖.每次施加完刺激后,緊跟著一個幅值為300 mV的讀取脈沖.單獨施加UCS時,示波器分壓為300 mV(＞ 45 mV),此時分泌唾液; 當(dāng)單獨施加CS時,由于憶阻器屬于高阻態(tài),示波器分壓遠(yuǎn)小于45 mV,此時不分泌唾液; 當(dāng)共同施加UCS和CS時,疊加的脈沖逐漸將憶阻器開啟; 此時單獨施加CS,憶阻器屬于低阻態(tài),示波器分壓將會大于45 mV,此時分泌唾液.通過聯(lián)合學(xué)習(xí),成功地將鈴聲由原來的不產(chǎn)生反射的中性刺激變成產(chǎn)生反射的條件刺激.此外,隨著UCS和CS施加的時間間隔越小,出現(xiàn)條件反射的現(xiàn)象時間越長,展現(xiàn)出學(xué)習(xí)頻率對聯(lián)合式學(xué)習(xí)的影響.

圖15 (a)生物系統(tǒng)中的習(xí)慣化和去習(xí)慣化行為;(b)基于HfOx憶阻器實現(xiàn)的習(xí)慣化和去習(xí)慣化行為[54]Fig.15.(a)Habituation and dishabituation behaviors in biological systems.(b)schematic of stimulus trains used for the measurement of habituation/dishabituation and the measured device current changes under the application of stimulus trains[54].

圖16 (a)巴普洛夫條件反射的原型;(b)基于憶阻器構(gòu)建的巴普洛夫條件反射模擬電路;(c)在不同時序關(guān)系的條件和非條件刺激下實驗測量結(jié)果[58]Fig.16.(a)Prototype of the Pavlovian conditioning.(b)memristive circuit with electrical US and CS to mimic the Pavlovian conditioning.(c)the experimental results under the conditions of different intervals between conditioned and unconditioned stimulus[58].

除了以上的突觸功能以外,基于氧化物憶阻突觸還能模擬一些其他的學(xué)習(xí)行為,比如脈沖頻率依賴突觸可塑性(spike-rate-dependent plasticity,SRDP)等.利用氧化物基憶阻器模擬神經(jīng)突觸,被多方面證實是一種有效的方式,有望通過憶阻器實現(xiàn)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)筑,進(jìn)而模擬人腦復(fù)雜的學(xué)習(xí)功能.雖然利用憶阻器目前僅能對神經(jīng)突觸進(jìn)行簡單的仿生,但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,未來有望通過憶阻神經(jīng)突觸來模擬更加復(fù)雜人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò).

4 憶阻型突觸器件的應(yīng)用

4.1 模式識別

目前,基于憶阻型人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)多種神經(jīng)形態(tài)學(xué)習(xí)的模擬得到了研究人員的廣泛關(guān)注[59-61].其中,開發(fā)具有模式識別(如語音識別、人臉識別、指紋識別等)功能的計算機(jī)系統(tǒng)能夠幫助人類充實自動運輸和郵件分揀等繁瑣的任務(wù),也因此實現(xiàn)模式識別被認(rèn)為是信息科學(xué)和人工智能的一個重要應(yīng)用領(lǐng)域.近年來,基于氧化物憶阻器陣列,研究人員成功實現(xiàn)了模式識別功能.米蘭理工大學(xué)Ielmini實驗組基于兩個晶體管和一個HfO2數(shù)字型憶阻器(2T1R)模擬單個神經(jīng)突觸,并通過構(gòu)筑8×8 突觸陣列實現(xiàn)了圖像“X”的識別[62].近年來,通過使用數(shù)字型和模擬型共存的憶阻器件,一種學(xué)習(xí)精度和速度可調(diào)的模式識別的方法被提出[63].如圖17(a)所示,在經(jīng)歷形成過程(forming process)之前/后,器件呈現(xiàn)出模擬型/數(shù)字型阻變行為.由于模擬型憶阻器的STDP突觸權(quán)重變化的波動性更小,導(dǎo)致其圖像識別精度更高; 而數(shù)字型憶阻器的STDP突觸權(quán)重變化的變化率更大,導(dǎo)致其圖像識別速度更塊.更重要的是,通過在憶阻神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中混合使用數(shù)字型和模擬型器件(如圖17(b)所示),獲得了精度和速度連續(xù)可調(diào)的圖像識別過程:通過改變神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中模擬型(數(shù)字型)器件的比例,學(xué)習(xí)精度(速度)可以從75%提高到95%(提高兩倍)(如圖17(c)所示).

4.2 聲音定位

聲音定位是指大腦利用環(huán)境中的聲音刺激能夠確認(rèn)聲音方位和距離.哺乳動物由于兩耳間隔較大,往往是利用感知聲音的時間差別(interaural time difference,ITD)進(jìn)行聲音定位[64-66].近年來,科學(xué)家利用簡單的氧化物憶阻器陣列實現(xiàn)了對聲音定位的模擬.米蘭理工大學(xué)Daniele Ielmini研究組構(gòu)筑了2×2 HfO2憶阻器陣列,包含兩個突觸前端(相當(dāng)于兩只耳朵中的聲音傳感器)和兩個突觸后端(如圖18(a,b))[67].內(nèi)部電勢(Vint)的不同代表了能夠指示聲音的定位,即聲音來源的方向角度.如圖18(c-f)所示,當(dāng)一個音頻信號觸發(fā)左右前神經(jīng)元時,內(nèi)部電勢的差值(ΔVint=Vint1—Vint2,其中Vint1為左耳信號引起的電勢變化,Vint2為右耳信號引起的電勢變化)大于零時,右耳聲音先到達(dá),表明聲源在接受者的右側(cè); 反之,聲源在接受者左側(cè).該研究認(rèn)為憶阻器脈沖時序/頻率依賴特性使其能夠進(jìn)行時空模式學(xué)習(xí).

4.3 邏輯運算

圖17 (a)分別基于數(shù)字型和模擬型行為的圖像演變過程;(b)由數(shù)字型和模擬型憶阻器構(gòu)成的混合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò);(c)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)字型比例對圖像識別準(zhǔn)確性的影響[63]Fig.17.(a)Evolution of images during the learning process for the initial,intermediate,and final states based on Digital resistive switching(D-RS)and analog resistive switching(A-RS)behaviors,respectively.(b)hybrid ANN composed of A-RS memristors and D-RS memristors.(c)accuracy as a function of number of epochs for the hybrid ANN at four different A-RS proportions[63].

憶阻器獨特的阻變特性使其在邏輯運算領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用.通過憶阻器在高低阻態(tài)之間的轉(zhuǎn)換,能夠?qū)崿F(xiàn)邏輯運算[68-71].2010年,Stanley Williams研究組基于Pt/TiO2/Pt憶阻器實現(xiàn)了狀態(tài)邏輯運算[8].如圖19(a)所示為交叉結(jié)構(gòu)的憶阻器電路,基于該電路物理實現(xiàn)了蘊(yùn)含(IMP)邏輯(如圖19(b)所示),并替代傳統(tǒng)的晶體管實現(xiàn)了與非門(NAND)邏輯運算(圖19(c)),同時邏輯狀態(tài)以電阻態(tài)的形式非易失地存儲在憶阻器中.進(jìn)一步,將IMP邏輯與FALSE 邏輯構(gòu)成一組完備集,基于該完備集能夠進(jìn)行任意的布爾函數(shù)邏輯運算.此后,基于氧化物憶阻器被應(yīng)用于實現(xiàn)復(fù)雜和高階邏輯功能.傳統(tǒng)的馮諾依曼計算體系中邏輯電路的輸入和輸出是高低電平.由于高低電平邏輯狀態(tài)易失,即斷電無法保存,需要額外的存儲器進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的記憶.而基于憶阻器的邏輯電路中輸入和輸出是高低阻態(tài),能夠在數(shù)據(jù)存儲的位置進(jìn)行邏輯運算,實現(xiàn)了計算與存儲的融合.這樣的融合能夠有效降低信息處理的功耗,提高信息處理的效率.

圖18 基于時空處理的聲音定位(a)雙耳效應(yīng)示意圖;(b)2×2神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過雙耳時差進(jìn)行聲音定位;(c)實驗用到的左右耳聲音波形;(d)對應(yīng)突觸前神經(jīng)元的軸突電位;(e)不同時差信號引起的突觸后神經(jīng)元電位;(f)不同聲音方位下突觸后神經(jīng)元電位的測量和計算結(jié)果[67]Fig.18.Sound localization based on space-time processing.(a)Schematic illustration of binaural effect.(b)schematic structure of a 2×2 SNN to detect the sound direction from the ITD.(c)experimental sound waveforms of left and right ears,(d)corresponding axon potential of the two PREs,and(e)vint for the two POSTs with their corresponding difference.(f)measured and calculated Vint as a function of sound azimuth revealing analog information about the sound propagation direction[67].

圖19 (a)實現(xiàn)邏輯電路的交叉陣列;(b)IMP邏輯運算電路;(c)NAND邏輯運算電路[8]Fig.19.(a)The memristors crossbar for logical circuit.(b)IMP logical circuit.(c)NAND logical circuit[8].

圖20 (a)利用水溶方法制備可轉(zhuǎn)移的Pt/WOx/Ti憶阻神經(jīng)突觸器件示意圖;(b)轉(zhuǎn)移至打印紙、3D玻璃半球、果膠和PDMS襯底上的器件實物圖;(c)轉(zhuǎn)移至不同襯底上的憶阻器件STDP學(xué)習(xí)功能[73]Fig.20.(a)Schematic diagrams of the fabrication process for the transferable Pt/WOx/Ti synaptic devices using water-dissolution method.(b)the pictures of devices that are transferred on flexible printing paper,glass dome hemisphere with 3D surface,pectin and PDMS substrate.(c)the obtained STDP behaviors of the devices on different substrates[73].

4.4 柔性可穿戴

近年來,柔性電子吸引著研究人員的興趣,而開發(fā)柔性電子突觸器件有助于在未來實現(xiàn)可穿戴計算機(jī)、可植入芯片和人工皮膚等應(yīng)用.為了使憶阻器件具備延展、可拉伸、和生物兼容等特點,需要將其制備在一些非傳統(tǒng)的襯底上,如PET(聚對苯二甲酸乙二醇酯)和PDMS(聚二甲基硅氧烷)等.然而,氧化物材料由于需要高溫處理,因而限制了氧化物基憶阻神經(jīng)突觸在柔性可穿戴領(lǐng)域的發(fā)展.為了解決以上問題,河北大學(xué)Yan研究組采用柔軟的云母作為襯底,制備出了具有柔性的TiN/Zr0.5Hf0.5O2/InGaZnO憶阻突觸器件[72].為構(gòu)筑柔性可轉(zhuǎn)移的氧化物基憶阻神經(jīng)突觸,一個具有普適性水溶NaCl方法被提出: 如圖20(a)所示,將Pt/WOx/Ti憶阻器件制備在表面拋光NaCl襯底上,由于NaCl襯底的高耐熱性,憶阻器件的制備不會損壞襯底[73].利用水溶解NaCl襯底之后,自支撐的憶阻器件可以轉(zhuǎn)移到不同的襯底上.圖20(b)給出了分別轉(zhuǎn)移至打印紙、3D玻璃半球、果膠和PDMS襯底上的器件實物圖,器件展現(xiàn)出柔性、隨形可貼附和生物兼容性等應(yīng)用潛力.更重要地是,轉(zhuǎn)移至以上四種襯底的器件,依然能夠模擬神經(jīng)突觸STDP學(xué)習(xí)功能(如圖20(c)所示),器件在轉(zhuǎn)移過程中并沒有被破壞.

4.5 光電憶阻神經(jīng)突觸

發(fā)展新型的光電耦合憶阻器有望突破基于傳統(tǒng)CMOS工藝的圖形處理器(GPU)在容量、集成度、速度等方面的技術(shù)瓶頸,實現(xiàn)新一代集探測、存儲與處理于一體的圖像處理器.中科院半導(dǎo)體所Shen研究組和香港理工大學(xué)Cai研究組,分別提出了基于Al2O3和MoOx材料的憶阻器,與光探測器相結(jié)合,實現(xiàn)了模擬人工視覺系統(tǒng)的圖像信息探測/存儲功能[74,75].韓國成均館大學(xué)Kim研究組基于InGaZnO薄膜的憶阻器,利用光刺激代替電刺激,實現(xiàn)了光電混合調(diào)制的憶阻神經(jīng)突觸[76].中科院寧波物理所Li研究組基于ITO/Nb:SrTiO3異質(zhì)結(jié),構(gòu)筑了人工光電神經(jīng)突觸,模擬了視覺感知系統(tǒng)對外部環(huán)境光學(xué)信號的自適應(yīng)檢測、處理和記憶[77].如圖21(a)所示,ITO/Nb:SrTiO3肖特基結(jié)電阻能夠被光信號調(diào)制: 在光照下,氧空位中捕獲的電子被釋放,留下一些帶正電荷的空位,降低/縮窄肖特基勢壘高度/寬度,增加電子的隧穿幾率,進(jìn)而降低肖特基結(jié)電阻.進(jìn)一步地,利用光脈沖代替電脈沖,成功模擬了神經(jīng)突觸的短時可塑性(雙脈沖易化,如圖21(b,c)),經(jīng)驗式學(xué)習(xí)及人類視覺短時記憶向長時記憶轉(zhuǎn)變功能,為光電神經(jīng)突觸模擬視覺神經(jīng)提供了可能.

圖21 (a)光激勵下ITO/Nb:SrTiO3基光電神經(jīng)突觸器件運行機(jī)理示意圖;(b)在光脈沖對下異質(zhì)結(jié)的典型光響應(yīng)特性;(c)對脈沖易化度隨脈沖間隔變化規(guī)律[77]Fig.21.(a)Photoresponsive characteristics of the ITO/Nb:SrTiO3 heterojunction artificial optoelectronic synapse under pulsed light stimuli.(b)photoresponsive characteristic of the heterojunction under a light pulse pair.(c)the variation of PPF index with the interval of light pulse pairs[77].

圖22 基于ITO/Nb:SrTiO3異質(zhì)結(jié)人工光電神經(jīng)突觸模擬視覺神經(jīng)系統(tǒng)(a)用波長編碼輸入圖像的感知和記憶過程.(b)用強(qiáng)度編碼輸入圖像的感知和記憶過程.(c)低頻率刺激下的圖像感知和記憶過程[77]Fig.22.Mimicry of human visual memory using the ITO/Nb:SrTiO3 heterojunction artificial optoelectronic synapse.(a)The detection and memory process of image encoded by light wavelength.(b)the detection and memory process of image encoded by light intensity.(c)the detection and memory process of image with low stimulating frequency.

人類視覺系統(tǒng)是一個復(fù)雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),因而模擬視覺系統(tǒng)則需要多個憶阻神經(jīng)突觸的聯(lián)合.為了實現(xiàn)圖像的感知和記憶,Li研究組構(gòu)建了九個ITO/Nb:SrTiO3異質(zhì)結(jié)人工光電神經(jīng)突觸,來記憶像素為3×3的圖像[77].如圖22所示,該突觸網(wǎng)絡(luò)能夠感知不同光波長和強(qiáng)度的刺激: 圖(a)顯示了對用波長編碼輸入圖像的感知和記憶過程,通過測量經(jīng)過光信號刺激后的突觸后電流,該突觸網(wǎng)絡(luò)很好的識別出了輸入圖像,且識別的圖像能夠長時間被記憶; 圖(b)則證實了利用強(qiáng)度編碼輸入圖像的感知和記憶過程,而圖像的識別和刺激的頻率有關(guān),頻率越小,學(xué)習(xí)和記憶的效果越弱(圖(c)).此外該研究組發(fā)現(xiàn),外加電場能調(diào)控異質(zhì)結(jié)的光響應(yīng)效率,正、負(fù)電壓分別引起增強(qiáng)和抑制效果.基于此,將光和電分別作為激勵和調(diào)制信號,實現(xiàn)了興趣等因素調(diào)制的人類視覺記憶功能模擬.

5 結(jié)論與展望

憶阻器作為第四種無源電子元件,具有阻值可隨流經(jīng)電荷而發(fā)生動態(tài)變化的特性,和人腦中的突觸具有高度相似性.基于氧化物基憶阻器能夠?qū)崿F(xiàn)突觸的學(xué)習(xí)和記憶行為: 包括非線性傳輸、長/短時可塑性、經(jīng)驗式學(xué)習(xí)和聯(lián)合式學(xué)習(xí)均能用本文綜述的氧化物憶阻神經(jīng)突觸來模擬.未來憶阻器有望將其應(yīng)用在模式識別、聲音定位、柔性可穿戴、邏輯運算和光電神經(jīng)突觸中,為實現(xiàn)神經(jīng)形態(tài)計算系統(tǒng)提供了基礎(chǔ).盡管目前氧化物基憶阻器經(jīng)過了近十年的發(fā)展,展現(xiàn)出了模擬神經(jīng)突觸的潛力.但是仍有諸多問題有待進(jìn)一步解決:

(1)2016年阿爾法狗采用了1202個CPU和176個GPU來模擬人腦的分析判斷功能,功率仍高達(dá) 105W(按 CPU/GPU每個 100W/200W計算),而人腦功率僅為10—20 W[78].雖然目前單一憶阻器的功耗能夠維持在幾十飛焦,但當(dāng)集成多個憶阻神經(jīng)突觸時,高能耗問題依然有待解決.隨著后摩爾時代的到來,發(fā)展具有超低功耗(亞飛焦級)的憶阻神經(jīng)突觸器件是首要目標(biāo).

(2)傳統(tǒng)的“馮·諾依曼”架構(gòu)中處理器與存儲器之間數(shù)據(jù)頻繁的傳輸會帶來高能耗和低效率,因此目前計算機(jī)領(lǐng)域希望探索出不同于“馮·諾依曼”構(gòu)架下的計算、存儲及處理新方法.憶阻器由于具備整合存儲和處理的特性,為發(fā)展非馮計算架構(gòu)提供了基礎(chǔ).但是目前,憶阻突觸仿生研究大多針對單一神經(jīng)突觸的模擬,實現(xiàn)大規(guī)模神經(jīng)突觸聯(lián)合,模擬復(fù)雜神經(jīng)功能的研究有限.因此發(fā)展憶阻器大規(guī)模互聯(lián)與集成的方法是未來憶阻神經(jīng)突觸器件走向應(yīng)用的基礎(chǔ).

(3)拓展新型突觸認(rèn)知功能模擬將會極大促進(jìn)憶阻器在人工智能領(lǐng)域的發(fā)展.比如,生物領(lǐng)域發(fā)展了一種新興的光遺傳學(xué)技術(shù): 在不同波長的光照刺激下,光敏離子通道分別對陽離子(Na+、H+、K+)或者陰離子(Cl—)的通過產(chǎn)生選擇性,實現(xiàn)對細(xì)胞基因表達(dá)或大腦功能的調(diào)控[79-81].因此發(fā)展光信號調(diào)控的人工神經(jīng)突觸,模擬生物中的光遺傳學(xué)技術(shù),有助于提升神經(jīng)突觸模擬的可調(diào)性及準(zhǔn)確性.綜上所述,隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,一些問題和挑戰(zhàn)能被克服,氧化物基憶阻器在神經(jīng)突觸仿生領(lǐng)域的一定會取得更大突破,并會推動相關(guān)領(lǐng)域的快速發(fā)展.