中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
在并行性、連續性、低功耗的智能計算架構的需求背景下，基于模擬生物突觸的仿生神經(jīng)形態(tài)器件有望實(shí)現類(lèi)腦信息處理范式，逐漸成為眾多研究者關(guān)注的熱點(diǎn)領(lǐng)域。納流體憶阻器利用水相環(huán)境的離子作為載流子，具有表面性質(zhì)可調、生物兼容性好等優(yōu)點(diǎn)，在神經(jīng)形態(tài)突觸應用及腦機接口等領(lǐng)域具有廣泛的應用前景。但是，現有納流體憶阻器通道長(cháng)度基本在微米尺寸，存在著(zhù)輸運效率低、能耗大及難以規?；庸さ葐?wèn)題，且無(wú)法從結構上實(shí)現對（亞）納米長(cháng)離子通道的精準仿生設計，器件設計方面的不成熟制約了納流體憶阻器更深層次的發(fā)展及應用。原子級厚度的石墨烯等二維材料具備優(yōu)異的穩定性和加工簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，為基于納流體憶阻器的神經(jīng)形態(tài)應用研究提供了嶄新平臺。
針對納流體憶阻器件及神經(jīng)形態(tài)應用現存的挑戰，北京大學(xué)集成電路學(xué)院王路達課題組借助微米納米加工技術(shù)全國重點(diǎn)實(shí)驗室平臺，通過(guò)精確加工特定電導的二維材料固態(tài)納米孔結構，創(chuàng )新發(fā)展了一種新型仿生納流體憶阻器件（如圖1）。本研究基于不同價(jià)態(tài)載流子的靜電作用有效地實(shí)現了對器件滯回曲線(xiàn)和電導開(kāi)關(guān)比的調控，并結合理論模擬明晰了納米孔結構的表面電荷及離子動(dòng)力學(xué)過(guò)程對納流體憶阻器的影響機制。進(jìn)一步基于器件的電導態(tài)累積效應和非易失記憶特性，實(shí)現了對突觸可塑性和類(lèi)腦學(xué)習功能的模擬，在毫秒量級脈沖寬度下實(shí)現了每脈沖約0.546 pJ的能耗，優(yōu)于當前報道的最先進(jìn)的納流體憶阻器件。
圖1 基于二維材料固態(tài)納米孔的仿生納流體憶阻器設計及實(shí)現
該研究利用埃米長(cháng)限域空間內離子的動(dòng)力學(xué)輸運構建了納流體憶阻器件，不僅有助于解決納流體神經(jīng)形態(tài)應用在器件層面的瓶頸問(wèn)題，而且助力于深入理解大腦神經(jīng)活動(dòng)的機理，為實(shí)現類(lèi)腦人工智能提供了新的思路。相關(guān)成果以“Nanofluidic Memristive Transition and Synaptic Emulation in Atomically Thin Pores”為題，發(fā)表在《Nano Letters》上。北京大學(xué)集成電路學(xué)院2020級博士研究生宋瑞洋、2023級博士研究生王鵬為共同第一作者，王路達研究員為通訊作者。以上研究工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金等項目支持。
論文鏈接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.4c06297
