柔 性神經(jīng)形態(tài)器件問(wèn)世

實(shí)現(xiàn)類(lèi)腦操作特性

●創(chuàng)新點(diǎn)

“人工智能（AI）”是在20世紀(jì)50年代提出的，經(jīng)歷了緩慢的發(fā)展時(shí)期。然而，自2016年“AlphaGo”問(wèn)世以來(lái)，AI已成為全球的研究熱點(diǎn)之一。值得注意的是，現(xiàn)有的AI技術(shù)主要基于傳統(tǒng)的馮·諾依曼架構(gòu)，需要采用較為復(fù)雜的計(jì)算機(jī)代碼才能實(shí)現(xiàn)，其計(jì)算模塊與存儲(chǔ)模塊相分離，因此其并行運(yùn)算能力有限，且能耗較高，對(duì)今后非結(jié)構(gòu)化大數(shù)據(jù)的處理和計(jì)算而言，具有一定的局限性。近年來(lái)，基于器件層面構(gòu)建的人工生物神經(jīng)系統(tǒng)，也正在成為AI領(lǐng)域的一個(gè)重要分支。突觸作為人腦認(rèn)知行為的基本單元，是神經(jīng)元間發(fā)生聯(lián)系的關(guān)鍵部位，是構(gòu)建人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的重要出發(fā)點(diǎn)。最近，中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所功能材料界面物理與器件應(yīng)用團(tuán)隊(duì)在柔性神經(jīng)形態(tài)器件研究方面取得新進(jìn)展。

●方法和結(jié)果

研究人員在柔性聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）襯底上制備了以殼聚糖薄膜作為柵介質(zhì)、具有學(xué)習(xí)行為的氧化銦錫（ITO）突觸晶體管，其在機(jī)械彎曲應(yīng)力作用1000次后，器件各項(xiàng)性能參數(shù)保持穩(wěn)定；在柵極偏壓應(yīng)力作用8000秒后，器件閾值電壓呈現(xiàn)一定的漂移，說(shuō)明研制的晶體管具備學(xué)習(xí)能力。隨后，研究人員在研制的柔性ITO薄膜晶體管上模擬了三種突觸功能：突觸后興奮電流（EPSC）、雙脈沖易化（PPF）和尖峰時(shí)序依賴(lài)可塑性（STDP）。1968年，心理學(xué)領(lǐng)域提出了“人腦多重記憶模型”：感知記憶（SM）到短時(shí)程記憶（STM），以及短時(shí)程記憶到長(zhǎng)時(shí)程記憶（LTM）的轉(zhuǎn)化過(guò)程。STDP學(xué)習(xí)法則是重要的突觸學(xué)習(xí)行為，對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)認(rèn)知行為具有重要作用，反映了前、后突觸刺激對(duì)突觸權(quán)重的影響規(guī)律，是調(diào)節(jié)高級(jí)神經(jīng)活動(dòng)的重要突觸學(xué)習(xí)機(jī)制。條件反射與STDP學(xué)習(xí)法則具有一定的相似性，受此啟發(fā)，中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所功能材料界面物理與器件應(yīng)用團(tuán)隊(duì)研制了可重復(fù)粘貼的氧化物神經(jīng)形態(tài)晶體管，采用透明聚酰亞胺（PI）膠帶作為襯底，隨后設(shè)計(jì)了不同波形的突觸刺激，成功在單一器件上模仿了生物突觸中的四類(lèi)STDP學(xué)習(xí)行為，包括Hebbian STDP，反Hebbian STDP，對(duì)稱(chēng)STDP及視覺(jué)STDP。Hebbian STDP的測(cè)試曲線擬合參數(shù)與生物突觸上實(shí)測(cè)的參數(shù)相近，表明該種神經(jīng)形態(tài)晶體管具有類(lèi)腦操作特性。

應(yīng)用前景

突觸結(jié)構(gòu)是神經(jīng)元間發(fā)生信息傳遞的關(guān)鍵部位，是人腦認(rèn)知行為的基本單元。因此，研制人造突觸器件對(duì)模仿大腦的構(gòu)架和工作模式，研制具有自主學(xué)習(xí)和認(rèn)知功能的超低功耗智能計(jì)算機(jī)而言具有重要意義。該研究從底層出發(fā)研制具有突觸和神經(jīng)元功能的新概念器件，對(duì)構(gòu)建神經(jīng)形態(tài)系統(tǒng)和研制真正意義上的“類(lèi)腦芯片”意義十分重大。