Advanced Materials Technologies: 基于电化学晶体管的低功耗动态可重构人工突触

利用微电子器件构建和模拟生物神经网络的结构与功能,研发神经形态芯片,被认为是从硬件层面攻克冯诺依曼瓶颈、加速人工智能实现的有效策略。突触(synapse)是相邻神经元之间的传导连接,具备高效的信息并行处理能力。通过控制谷氨酸和γ-氨基丁酸两种神经递质的释放,生物突触的连接强度(即突触权重)增强或减弱,突触塑性随之改变,从而实现对神经信号的传输、编码和过滤等。在基于三端晶体管结构的人工突触器件中,沟道电导值作为突触权重。由于当前的场效应晶体管多采用单极性半导体作为沟道材料,沟道内可移动载流子(空穴和电子)浓度不平衡,难以利用栅压极性对称地、线性地调控沟道电导。因此,兴奋性及抑制性突触塑性的动态重构难以实现。虽然引入额外的控栅端口(如双栅、光栅等)可增强沟道电导的调控能力,但器件的功耗也随之升高。

香港理工大学应用物理系严锋教授课题组以有机电化学晶体管(OECTs)作为研究对象,导电聚合物PEDOT:PSS作为沟道材料,构筑了低功耗、高分辨率、动态可重构的人工突触。在脉冲尖峰下,电解质离子在导电聚合物中的电化学掺杂/脱掺杂过程与生物突触中神经递质的释放和接受过程有着天然的相似性,有望实现动态重构的突触塑性。而共轭聚合物的离子体掺杂特性使得OECTs具有超高的比电容(~500 μF/cm2),赋予OECTs高效的电子-离子耦合以及超低电压驱动的优势。该人工突触器件的突触尖峰有效工作电压低至10 mV,能耗仅为2 pJ/spike。体掺杂的特性还保证了超快的沟道电导态调节能力(~0.4 ms)。该突触器件无需初始化过程,也无需引入额外的控制端口,就可通过快速改变沟道掺杂程度,有效实现兴奋性及抑制性塑性的动态重构、平衡重构,并模拟生物突触的双脉冲易化和抑制,高/低通动态滤波等功能。得益于电解质门控器件空间电荷耦合的能力,研究人员还通过增加调控输入端,模拟了树突整合的多输入单输出结构,进一步实现了尖峰脉冲逻辑运算功能的仿生。上述研究结果为OECTs在植入式神经形态电子学领域的应用研究提供了一个新思路。 相关研究工作以“Dynamically reconfigurable short-term synapse with millivolt stimulus resolution based on organic electrochemical transistors”为题在线发表于Advanced Materials Technologies (DOI: 10.1002/admt.201900471),第一作者为香港理工大学应用物理系凌海峰博士。