科学家使用忆阻器创造大脑突触阵列

研究人员借鉴了冶金原理，用银、铜和硅的合金制造了每一个忆阻器。当他们让芯片执行几个视觉任务时，芯片能够“记住”存储的图像，并多次重现它们，与现有的用非合金元素制成的忆阻设计相比，版本更清晰、更清晰。他们的研究结果发表在《自然纳米技术》杂志上，题为“为可靠的神经形态计算制造合金传导通道”，展示了一种有前途的神经形态器件忆阻新设计。

“到目前为止，人工突触网络以软件的形式存在。我们正试图为便携式人工智能系统构建真正的神经网络硬件，”麻省理工学院机械工程副教授Jeehwan Kim说。“想象一下，把一个神经形态设备连接到你车上的摄像头上，让它识别灯光和物体，并立即做出决定，而不需要连接到互联网。我们希望使用节能忆阻器在现场实时完成这些任务。”

传统电路中的晶体管通过在0和1这两个值之间切换来传输信息，而忆阻器可以沿着梯度工作，就像大脑中的突触一样。它产生的信号可能根据它接收到的信号强度而变化。这将使单个忆阻器具有多个值，因此比二元晶体管可执行更广泛的操作范围。

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就像大脑突触一样，忆阻器也能够“记住”与给定电流强度相关的值，并在下次接收到类似电流时产生完全相同的信号。这可以确保复杂方程的答案或物体的视觉分类是可靠的——这一壮举通常需要多个晶体管和电容。

然而，现有的忆阻设计在性能上受到限制。单个忆阻由正极和负极组成，由“开关介质”或电极之间的空间隔开。当在一个电极上施加电压时，来自该电极的离子会流过介质，形成“传导通道”到另一个电极。

接收到的离子构成忆阻器通过电路传输的电信号。离子通道的大小(以及忆阻最终产生的信号)应该与刺激电压的强度成正比。

Kim说，现有的忆阻设计在电压刺激大传导通道或大量离子从一个电极流向另一个电极的情况下工作得很好。但是当忆阻器需要通过更薄的传导通道产生更微妙的信号时，这些设计就不那么可靠了。

传导通道越薄，从一个电极到另一个电极的离子流动越轻，单个离子就越难聚集在一起。相反，他们倾向于脱离群体，在媒介中解散。因此，当受到一定低范围电流的刺激时，接收电极很难可靠地捕获相同数量的离子，从而传输相同的信号。

Kim和他的同事们从冶金学中借鉴了一种技术，找到了绕过这一限制的方法。“传统上，冶金学家试图在大块基质中添加不同的原子来强化材料，我们想，为什么不调整忆阻器中的原子相互作用，并添加一些合金元素来控制介质中离子的运动，”Kim说。

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工程师通常使用银作为忆阻器正极的材料。Kim的团队查阅了文献，寻找一种可以与银结合的元素，有效地将银离子聚集在一起，同时允许银离子快速流经另一个电极。研究小组认为铜是理想的合金元素，因为它能与银和硅结合。金解释说:“它就像一种桥梁，稳定银硅界面。”

为了使用他们的新合金制造忆阻器，该团队首先用硅制作了一个负极，然后通过沉积少量的铜制作了一个正极，然后是一层银。他们把两个电极夹在非晶硅介质周围。用这种方法，他们制作了一个带有成千上万个忆阻器的一毫米见方的硅片。

作为芯片的第一次测试，他们重现了美国队长盾牌的灰度图像。他们将图像中的每个像素等同于芯片中相应的忆阻器。然后，他们调节每个忆阻的电导，其强度与对应像素中的颜色有关。与其他材料制成的芯片相比，这种芯片产生了同样清晰的盾牌图像，并且能够“记住”图像并多次复制。

该团队还让芯片完成了一个图像处理任务，对忆阻器进行编程以改变图像，在麻省理工学院的基利安法院，以几种特定的方式，包括锐化和模糊原始图像。同样，他们的设计产生的重新编程图像比现有的忆阻器设计更可靠。

“我们正在使用人工突触进行真正的推理测试，”Kim说。“我们希望进一步开发这项技术，使其拥有更大规模的阵列来完成图像识别任务。也许有一天，你可以随身携带人工大脑来完成这些任务，而无需连接超级计算机、互联网或云计算。”

麻省理工学院-www.mit.edu