扩散式忆阻器能更加逼真地模拟生物神经突触

由美国麻萨诸塞大学阿默斯特分校(UMass-Amherst)电子与计算机工程系教授Jianhua Yang主导的一支跨国研究小组，最近开发出一种兼容于CMOS的新式忆阻器，据称能更加逼真地模拟生物突触的机能行为。

这项主题为“扩散动态式忆阻器为神经运算实现突触仿真器”(Memristors with diffusive dynamics as synaptic emulators for neuromorphic computing)的研究发表于最新一期的《自然材料》(Nature Materials)期刊上：这款看似简单的双端组件不仅能仿真脉冲时间依存可塑性(STDP)，同时还可在双脉冲抑制(PPD)后促进双脉冲(PPF)进行，以及与非挥发性组件结合，实现脉冲速率依存可塑性(SRDP)等突触特性。

相较于三端的CMOS突触电路，这种双端组件能够大幅缩减占位空间、复杂度与能耗，而且也不需要以复杂的电路仿真突触的行为。

在该研究论文中所描述的“扩散式忆阻器”是由两个铂(或金)电极夹层电介质薄膜的交换层，以及嵌入式银纳米粒子簇(SiOxNy:Ag、HfOx:Ag或MgOx:Ag)共同组成。研究人员首先以10x10µm的尺寸打造该组件，然后再证实仅100nm x 100nm的纳米组件同样出现类似的交换行为。

该组件的虚拟彩色扫描电子颢微镜照片。红色虚线标示出顶部电极，蓝色虚线部份则是底部触点。在顶部电极施加偏压，底部电极进行接地。插入电极显示该连接点的原子力形态（来源：UMass-Amherst）

研究人员表示，结果显示其导电与绝缘之间的电阻率，大约是 SiOxNy:Ag 的8倍，以及 HfOx:Ag 组件的10倍，这是阈值交换组件至今所能实现的最高数字。研究人员并表示，扩散忆阻器的导通电流急剧增加，在 MgOx:Ag 、 SiOxNy:Ag 组件为10mV/decade，而 HfOx:Ag 时则为1mV/decade。

研究人员证明原子银在这些扩散忆阻器实现生物突触的行为中扮演关键角色。透过高解析的透射式电子显微镜(TEM)与纳米粒子动态仿真显示，由于电介质内的接口能量最小化，银原子在电偏压下扩散，但也会在零偏压时重新自成簇，相当接近于Ca2+离子在生物突触的突触前/后腔室中进行突触流入与突出的情形。

Ca2+在生物突触以及银原子在扩散忆阻器的动态比较（来源：UMass-Amherst）

事实上，阈值交换在本质上是单极的(不必进行反向偏压)，因而明显不同于非挥发的漂移型忆阻器。

在施加脉冲时，该组件显示在生长与聚集银纳米粒子至最终形成导电通道的诱导期后，阈值切换至低电阻状态。而当通道形成后，电流突然上升了数十倍，接着并进一步随通道增厚而在偏压下慢慢地上升。

随着电压脉冲结束，该装置返回其原始的高电阻状态，并随环境温度升高而降低电阻。研究人员指出，这段特性时间(几十毫秒)与生物突触的响应时间顺序相同。其诱发期与特性时间也都表现出电压脉冲参数、操作记录、银浓度、主晶格、组件几何、湿度与其他因素等，这些全部都可加以调谐，从而为神经形态系统实现所需的动态。

有趣的是，虽然单个短脉冲无法激发足够的银粒子，使其于两端之间形成完整的导电路径，随后则以更短的间隔时间施加脉冲，迫使更多粒子扩散至两端之间的间隙，逐渐增加组件的电性——类似于生物突触中的PPF现象。

另一个有趣的效应是电场朝组件其中一端泵入更多粒子时，另一端的粒子数量相对地减少。在高频(5,000Hz)下连续进行更多脉冲，最后在粒子耗尽的一端扩大间隙，最终在过度刺激下改变组件的导电性。这是另一个典型的突触行为——PPD随原始PPF之后发生。

这项研究将继续模拟突触的长期可塑性，其方式是结合扩散忆阻器以及作为非挥发组件的Pt/TaOx/Ta/Pt漂移忆阻器，其后再连接至类似于前/后突触神经元的脉冲电压来源，可使其受益于扩散忆阻器提供的内在计时机制，在无需任何复杂脉冲工程或突波重迭的情况下实现SRDP和STDP行为。

在前/后突触神经元之间的生物突触接合，以及在脉冲电压源之间以扩忆阻器串联漂移忆阻器的电性建置

编译：Susan Hong

本文授权编译自EE Times，版权所有，谢绝转载

关注最前沿的电子设计资讯，请关注“电子工程专辑微信公众号”。