寧波材料所在柔性氧化物神經(jīng)形態(tài)晶體管研究方面取得進(jìn)展
“人工智能（AI）”是在上世紀(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”問世以來，目前AI已經(jīng)成為了全球的研究熱點(diǎn)之一，備受關(guān)注。值得注意的是，現(xiàn)有的AI技術(shù)主要基于傳統(tǒng)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)算模塊與存儲模塊相分離，因此其并行運(yùn)算能力有限，且能耗較高，對今后非結(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。同時(shí)，近年來，基于器件層面構(gòu)建人工生物神經(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)。在突觸仿生電子學(xué)方面，目前的研究主要包括兩端阻變器件和三端晶體管，這類器件已經(jīng)模仿了一些從簡單到復(fù)雜的各種突觸功能和神經(jīng)元功能，有著潛在的應(yīng)用前景。
近日，中國科學(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)器件研究方面取得了新的進(jìn)展，其在未來柔性神經(jīng)形態(tài)平臺構(gòu)筑上有著潛在的應(yīng)用。他們在柔性PET襯底上制備了以殼聚糖薄膜作為柵介質(zhì)的、具有學(xué)習(xí)行為的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，發(fā)現(xiàn)器件閾值電壓呈現(xiàn)一定的漂移，說明研制的晶體管具備學(xué)習(xí)能力。隨后，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)序依賴可塑性（STDP）。1968年，Atkinson和Shiffrin從心理學(xué)層面提出了“人腦多重記憶模型”：感知記憶（SM）到短時(shí)程記憶（STM）以及短程記憶到長時(shí)程記憶（LTM）的轉(zhuǎn)化過程。該團(tuán)隊(duì)通過柵脈沖刺激頻率和柵脈沖刺激強(qiáng)度的設(shè)計(jì)，在單一突觸晶體管上實(shí)現(xiàn)了對“人腦多重記憶模型”的模仿。上述成果發(fā)表于ACS Applied Materials Interfaces, 2018, 10 (19), 16881-16886上（論文鏈接 https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.8b03274）。
生理學(xué)上著名的“巴普洛夫狗條件反射”（即經(jīng)典條件反射實(shí)驗(yàn)）是一類重要的聯(lián)想學(xué)習(xí)行為，其反映了條件刺激和非條件刺激先后關(guān)系對神經(jīng)元活性的影響行為，在單一器件上實(shí)現(xiàn)對這一聯(lián)想學(xué)習(xí)行為的模仿是類腦神經(jīng)形態(tài)器件的重要研究內(nèi)容。值得指出的是，STDP學(xué)習(xí)法則是重要的突觸學(xué)習(xí)行為，對神經(jīng)系統(tǒng)認(rèn)知行為具有重要作用，反映了前、后突觸刺激對突觸權(quán)重的影響規(guī)律，是調(diào)節(jié)高級神經(jīng)活動(dòng)的重要突觸學(xué)習(xí)機(jī)制?？梢钥闯?，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)，該團(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STDP學(xué)習(xí)行為，包括Hebbian STDP，反Hebbian STDP，對稱STDP及視覺STDP。Hebbian STDP的測試曲線擬合參數(shù)與生物突觸上實(shí)測的參數(shù)相近，表明該種神經(jīng)形態(tài)晶體管具有類腦操作特性?；赟TDP學(xué)習(xí)法則，無需外加復(fù)雜電路和元器件，即可在單一神經(jīng)形態(tài)晶體管上實(shí)現(xiàn)對經(jīng)典條件反射行為的模仿，包括信息的獲取、消退和恢復(fù)。此外，還成功模擬了經(jīng)典條件反射里的條件抑制行為，這也是神經(jīng)形態(tài)器件研究中的首次報(bào)導(dǎo)。該成果以“Restickable Oxide Neuromorphic Transistors with Spike-Timing-Dependent-Plasticity and Pavlovian Associative Learning Activities”為題，發(fā)表于Advanced Functional Materials 2018, 28 (44) 1804025, (論文鏈接https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201804025)
上述工作得到了國家自然科學(xué)基金委、浙江省杰出青年基金、中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)、寧波市科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)等項(xiàng)目的資助。
圖1 “多重記憶”示意圖及測試結(jié)果
圖2 “巴普洛夫”條件反射示意圖
圖3 器件Hebbian STDP測試結(jié)構(gòu)及條件反射測試方案示意圖
圖4 “巴普洛夫”條件反射測試結(jié)果
（新能源所 竺立強(qiáng)）