贺利氏和德国亚琛工业大学共同开发自适应人工突触

2020年5月11日

  • 在深度学习和人工智能中的应用:忆阻器被认为是模拟大脑的计算机的理想器件
  • 迄今为止,专家们一直忽略了氧化层中杂质原子的影响
  • 研究人员成功刷新忆阻器切换时间

德国哈瑙 - 德国科技集团贺利氏和于利希-亚琛研究联盟(JARA)的研究人员发现了有针对性地影响人工突触切换特性的方法。忆阻器是一种“具有记忆功能的的电阻器”,其阻值可在最小值和最大值之间切换——这种电子元件可替代计算机芯片中的传统元件,拥有广阔的应用前景。忆阻器的工作原理类似于生物神经系统的突触:微弱的电流变化就会引起阻值改变。“忆阻器被认为是模拟大脑的神经拟态计算机的理想器件,引起了深度学习和人工智能领域的极大关注。”德国于利希研究中心(Research Centre Jülich)Peter Grünberg第七研究所的Ilia Valov博士解释道。

被忽视的秘密:氧化层中的杂质原子

突触是神经细胞之间的连接,其特别之处在于当突触一个接一个地被电信号迅速激发时,它们能够传递不同强度的信号。上述活动的作用之一是诱发钙离子浓度升高,从而促进信使物质的分泌。根据突触活动不同,其他作用还包括造成长期的结构转换,这种转换可影响信号传递的强度,持续时间短则数小时,长则一生。 类似突触连接,忆阻器可以通过施加电压来改变电信号传递的强度。在电化学金属化存储单元(ECM)中,两个金属外层之间会形成一种金属丝,从而有效缩短金属层之间的距离,提高导电性。通过施加极性相反的电压脉冲,金属丝会再次收缩,直到存储单元回到初始状态。

研究小组对由铂电极、铜电极和超薄熔融石英层(二氧化硅)组成的元件进行了系统的实验,其中熔融石英层位于铂电极和铜电极之间。在开放获取期刊《科学进展》(Science Advances)的最近一期上,研究人员介绍了如何有针对性地调整忆阻器的切换特性。其中,决定性因素为中间氧化层的纯度:研究人员刻意在纯度为99.999999%的超纯二氧化硅中掺入了杂质原子。“通过掺入杂质原子,我们可以调整超薄氧化层的溶解性和输运性能。”贺利氏集团的Christian Neumann博士解释说。过去,专家们一直忽略了这种掺杂效应。该效应类似于信息技术领域的半导体掺杂,可以有针对性地用于设计忆阻系统。这种经过特殊掺杂的石英玻璃由熔融石英专家贺利氏科纳米全球业务单元专门开发并生产,并且获得了专利。

借助上述发现,相关厂商如今可以开发具有特定功能的忆阻器。这是因为忆阻器的工作原理与生物神经系统的突触类似:大脑的学习和记忆能力在很大程度上取决于一点——当神经细胞被频繁使用时,细胞之间的连接变得更强。在人工突触中,导电性随输入电压脉冲数增加而变强。反过来,通过施加极性相反的电压脉冲,则可以减弱导电性。掺杂程度(即氧化层中的杂质原子数量)越高,忆阻器电阻随输入电压脉冲数变化的速度便越慢,电阻就越稳定。“我们由此发现了一种方法,可以构建兴奋性不同的人工突触。”Ilia Valov解释称。

论证理论:成功刷新切换时间

忆阻器可采用不同的阻变机制,如电化学金属化记忆效应(ECM)或价态变化记忆效应(VCM)。研究人员通过一系列ECM实验证明,忆阻器的切换时间随杂质原子的数量而变化。如果中间层采用纯度为99.999999%的二氧化硅,则忆阻器的切换时间为1.4纳秒。到目前为止,研究人员利用ECM测得的最短切换时间约为10纳秒。通过在忆阻器的氧化层中掺入多达10,000 ppm(百万分之一)的杂质原子,研究人员将切换时间延长到了数毫秒。基于普遍适用的理论考量,在本文提及的实验结果的支持下,研究小组确信,除了ECM和VCM,所有其他忆阻器也存在掺杂效应。

与本文相关的所有实验结果请参阅原文: 忆阻系统中的缺陷化学特性与元器件性能设计(Design of defect-chemical properties and device performance in memristive systems),Lübben等,《科学进展》 ,2020年5月