這項主題為「擴散動態式憶阻器為神經運算實現突觸模擬器」(Memristors with diffusive dynamics as synaptic emulators for neuromorphic computing)的研究發表於最新一期的《自然材料》(Nature Materials)期刊上:這款看似簡單的雙端元件不僅能模擬脈衝時間依存可塑性(STDP),同時還可在雙脈衝抑制(PPD)後促進雙脈衝(PPF)進行,以及與非揮發性元件結合,實現脈衝速率依存可塑性(SRDP)等突觸特性。

相較於三端的CMOS突觸電路,這種雙端元件能夠大幅縮減佔位空間、複雜度與能耗,而且也不需要以複雜的電路模擬突觸的行為。

在該研究論文中所描述的「擴散式憶阻器」是由兩個鉑(或金)電極夾層電介質薄膜的交換層,以及嵌入式銀奈米粒子簇(SiOxNy:Ag、HfOx:Ag或MgOx:Ag)共同組成。研究人員首先以10x10µm的尺寸打造該元件,然後再證實僅100nm x 100nm的奈米元件同樣出現類似的交換行為。

20161005 memristor NT03P1 該元件的虛擬彩色掃描電子顥微鏡照片。紅色虛線標示出頂部電極,藍色虛線部份則是底部觸點。在頂部電極施加偏壓,底部電極進行接地。插入電極顯示該連接點的原子力形態(來源:UMass-Amherst)

研究人員表示,結果顯示其導電與絕緣之間的電阻率,大約是 SiOxNy:Ag 的8倍,以及 HfOx:Ag 元件的10倍,這是閾值交換元件至今所能實現的最高數字。研究人員並表示,擴散憶阻器的導通電流急劇增加,在 MgOx:Ag 、 SiOxNy:Ag 元件為10mV/decade,而 HfOx:Ag 時則為1mV/decade。

研究人員證明原子銀在這些擴散憶阻器實現生物突觸的行為中扮演關鍵角色。透過高解析的透射式電子顯微鏡(TEM)與奈米粒子動態模擬顯示,由於電介質內的介面能量最小化,銀原子在電偏壓下擴散,但也會在零偏壓時重新自成簇,相當接近於Ca2+離子在生物突觸的突觸前/後腔室中進行突觸流入與突出的情形。

20161005 memristor NT03P2 Ca2+在生物突觸以及銀原子在擴散憶阻器的動態比較(來源:UMass-Amherst)

事實上,閾值交換在本質上是單極的(不必進行反向偏壓),因而明顯不同於非揮發的漂移型憶阻器。

在施加脈衝時,該元件顯示在生長與聚集銀奈米粒子至最終形成導電通道的誘導期後,閾值切換至低電阻狀態。而當通道形成後,電流突然上升了數十倍,接著並進一步隨通道增厚而在偏壓下慢慢地上升。

隨著電壓脈衝結束,該裝置返回其原始的高電阻狀態,並隨環境溫度升高而降低電阻。研究人員指出,這段特性時間(幾十毫秒)與生物突觸的響應時間順序相同。其誘發期與特性時間也都表現出電壓脈衝參數、操作記錄、銀濃度、主晶格、元件幾何、濕度與其他因素等,這些全部都可加以調諧,從而為神經形態系統實現所需的動態。

有趣的是,雖然單個短脈衝無法激發足夠的銀粒子,使其於兩端之間形成完整的導電路徑,隨後則以更短的間隔時間施加脈衝,迫使更多粒子擴散至兩端之間的間隙,逐漸增加元件的電性——類似於生物突觸中的PPF現象。

另一個有趣的效應是電場朝元件其中一端泵入更多粒子時,另一端的粒子數量相對地減少。在高頻(5,000Hz)下連續進行更多脈衝,最後在粒子耗盡的一端擴大間隙,最終在過度刺激下改變元件的導電性。這是另一個典型的突觸行為——PPD隨原始PPF之後發生。

這項研究將繼續模擬突觸的長期可塑性,其方式是結合擴散憶阻器以及作為非揮發元件的Pt/TaOx/Ta/Pt漂移憶阻器,其後再連接至類似於前/後突觸神經元的脈衝電壓來源,可使其受益於擴散憶阻器提供的內在計時機制,在無需任何複雜脈衝工程或突波重疊的情況下實現SRDP和STDP行為。

20161005 memristor NT03P3 在前/後突觸神經元之間的生物突觸接合,以及在脈衝電壓源之間以擴憶阻器串聯漂移憶阻器的電性建置

編譯:Susan Hong

(參考原文:Closely mimicking synapses: diffusive memristors,by Julien Happich)