近红外调节终端用于模拟异突触可塑性

“内存墙“(memory wall)概念最初由Wulf和McKee于1994年提出,分析和预测了处理器和内存不均衡的性能发展速度将会造成内存的存取速度严重滞后于处理器的计算速度的后果。 一旦我们到达内存墙,应用程序执行时间几乎完全取决于RAM将数据发送到CPU的速度。内存瓶颈导致高性能处理器难以发挥出应有的功效,这对日益增长的高性能计算形成了极大的制约。而模仿突触的功能有望给我们突破传统冯·诺依曼结构中的内存墙的限制提供支持。

神经形态计算可以解决传统架构在机器学习实现中的固有局限性,因为它能够模拟人脑的恢复性,多功能性和高效率。突触可塑性是突触作为神经活动载体调整其连接强度的能力,与人的大脑处理信息的过程密切相关。研究者们希望模仿突触功能,以能量互联和高效率的方法实现神经网络算法。大多数努力仅限于模仿同源突触可塑性效应,其采用相同的终端提供许可活动并感知随后的突触变化。光电电器件有助于促进人们对于人造高性能异突触系统的灵感,然而利用近红外(NIR)辐射作为异突触可塑性仿真的调节终端的操作还没有实现。基于有机-无机杂化钙钛矿,全无机钙钛矿,相变材料和石墨烯制造的光子存储器,利用光作为输入或/和输出信号,但由于这些半导体材料具有较大带隙或无带隙的性质,其较差的近红外(NIR)灵敏度阻碍了突触权重NIR控制的高效性和可靠性。

异突触可塑性是指调控中间神经元的活动可以强烈影响突触前后神经元之间的连通性。异突触可塑性对于基本的生物学功能至关重要, 包括长期记忆,联想学习,感觉知觉和突触失控动态预防。通过另外一个调控性中间神经元来调节前后神经元之间的异源突触可塑性,能使计算系统展现更复杂的功能。

近期,深圳大学高等研究院周晔研究员、电子科学与技术学院韩素婷副教授以及中国科学技术大学杨晴教授团队报道了基于准平面MoSe2/Bi2Se3异质结构的近红外电阻随机存取存储器,实现了异常的NIR阈值切换和NIR reset操作。不仅如此,器件展示了NIR辐照可以用作模拟异突触可塑性的调节终端,构建的交叉开关阵列也演示了可重构的二维图像识别。通过可重构图像识别的演示,进一步证明了集成器件阵列的视觉信息储存能力。在实验中,研究者利用KPFM和SEM来可视化监测Ag簇的动态运动。在桥接的Ag丝上撞击的光生空穴将Ag簇氧化成Ag+是NIR湮灭效应的主要机制。该研究结果提供了一种光学调节异质结构材料的电导率的方法,有潜力成为开发下一代存储器和图像识别的复杂异突触结构的奠基石。在准平面MoSe2/Bi2Se3纳米片中的NIR湮灭效应甚至可能开辟通向光学调控的内存内计算和人造视网膜的路径。

相关研究工作以“Near-infrared annihilation of conductive filaments in quasiplane MoSe2/Bi2Se3 nanosheets for mimicking heterosynaptic plasticity”为题目发表在期刊Small (DOI: 10.1002/smll.201805431)上,第一作者为深圳大学电子科学与技术学院王燕博士。