【前言】
近年來,華中神經運算方興未艾,科技張量處理器(Tensor Processing Unit,大學的實TPU)等專用的郭新工神神經運算加速芯片的研制,大幅提高了運算效率并降低了功耗。教授經元與基于軟件的型人現材神經網絡相比,基于硬件的料牛神經網絡具有并行運算和低功耗的優點,然而采用傳統的華中電子器件模擬神經突觸和神經元所需元件數目眾多,電路復雜,科技難于大規模集成。大學的實作為一種新型電路基元,郭新工神憶阻器與生物突觸在結構和功能上都十分相似,教授經元僅用一個憶阻器就可實現一個突觸的型人現材功能,因此,料牛憶阻器的華中研制為構建基于硬件的人工神經網絡提供了一條全新的道路,成為近年來的研究熱點。為構建硬件人工神經網絡,除人工突觸外,還需要人工神經元來完成信息的發放和對突觸權重的調節,如何以更簡單的電路更好地實現神經元的功能是目前該領域亟待解決的關鍵問題之一。
在神經網絡中,神經元負責處理樹突端傳來的信號并決定是否放電。為了理解神經元的工作機制,神經科學家Hodgkin和Huxley提出了HH模型,并獲得了1963年諾貝爾生理學或醫學獎。HH模型指出:生物神經元處理信息和發放信號的過程,涉及到神經元細胞膜上的鈉離子通道電導和鉀離子通道電導的變化。該模型是迄今為止對神經元功能解釋得最清楚、與神經元本質最接近的模型。
【成果簡介】
近日,來自華中科技大學固態離子學實驗室的郭新教授和楊蕊副教授在Advanced?Materials發表了題為Quasi-Hodgkin–Huxley Neurons with Leaky Integrate-and-Fire Functions Physically Realized with Memristive Devices的文章,創新性地采用一種在電場下可以產生質子的導電聚合物(PEDOT:PSS)作為電極,引入質子作為遷移離子,基于質子和電子的混合導體憶阻材料,研制出了結構為W/WO3/PEDOT:PSS的憶阻器,極大地提高了離子在混合導體WO3中的遷移速率,僅僅通過施加一個串聯電阻,就可以模擬HH神經元細胞膜表面離子通道電導的變化,向后續電路發放一個具有生物動作電位特征的信號,避免了復雜任意波形發生器的使用,模擬了神經元信號的發放。
神經元對信息的處理過程,涉及到神經元細胞膜電位的動態變化過程,只有當前級神經元給后級神經元的刺激程度或者頻率足夠大時,細胞膜電位才會超過自身閾值,促進神經元放電;如果細胞膜電位未達到閾值,則會自發衰減到初始狀態,這一過程即神經元的漏電流整合放電(Leaky Integrate-and-Fire, LIF)功能。在基于質子遷移的憶阻器中,由于質子在材料中的遷移速率較快,在外加電激勵后的幾毫秒內器件就會恢復到初始狀態,即只有幾毫秒內的連續電激勵可以對該憶阻器電導的變化產生疊加效應。這種特性與神經元細胞的膜電位特性十分類似,因此,該器件還能實現神經元對信號的處理功能。
圖1 生物LIF神經元的示意圖以及憶阻神經元的等效電路圖
前級神經元的信號通過突觸傳遞到后級神經元,引起局部分級電位的增大,其中脈沖的數目(空間整合)和脈沖的頻率(時間整合)都會影響局部分級電位的大小,當局部分級電位超過閾值,就會激發神經元放電。
圖2 W/WO3/PEDOT:PSS/Pt器件的微結構和電學性能表征
a) 器件橫截面的TEM圖;
b)電流-電壓掃描循環圖;
c)器件在不同電阻狀態時的拉曼譜;
d)施加不同幅值的脈沖時器件的電流響應;
e)施加不同頻率的脈沖時器件的電流響應。
圖3 神經元的放電功能及脈沖發生單元
a)生物神經元放電的動力學過程;
b)圖1中的脈沖發射單元的等效電路圖,其中包含連續可調的離子電導和質子電導;
c)通過對器件施加脈沖實現的神經元放電功能,圖中的點和線分別對應實驗及仿真結果;
d)對器件施加連續的脈沖,在很短的時間內放電的脈沖形狀都一樣,與神經元的放電功能類似。
圖4 物理實現的漏電流整合放電神經元
a)基于兩個W/WO3/PEDOT:PSS/Pt憶阻器件的神經元電路圖;
b)基于該電路實現的空間整合功能;
c)基于該電路實現的時間整合功能。
【小結】
研究人員設計了一種基于質子遷移的憶阻器,由于質子快速遷移的特性,憶阻器具有較快的易失速度和較強的電池效應?;谄骷奶厥庑阅埽恍柰ㄟ^簡單的電路,就可以將神經元中HH模型與LIF的功能結合起來,完整地模擬一個神經元的信息處理和脈沖發放功能,有望為硬件人工網絡的實現提供支持。
文獻鏈接:Quasi-Hodgkin–Huxley Neurons with Leaky Integrate-and-Fire Functions Physically Realized with Memristive Devices(Adavance?Materials.2018.DOI:?10.1002/adma.201803849)
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/adma.201803849
課題組相關工作:
1)R. Yang, H.‐M. Huang, Q.‐H. Hong, X.‐B. Yin, Z.‐H. Tan, T. Shi, Y.‐X. Zhou, X.‐S. Miao, X.‐P. Wang, S.‐B. Mi, C.‐L. Jia, X. Guo, Adv. Funct. Mater.?2018, 28, 1704455.
2)Zheng-Hua Tan, Rui Yang, Kazuya Terabe, Xue-Bing Yin, Xiao-Dong Zhang, Xin Guo. Synaptic Metaplasticity Realized in Oxide Memristive Devices, Adv.?Mater.,?2016,28,377-384.
本文由華中科技大學郭新教授團隊供稿,材料人編輯部編輯。
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