清华大学精仪系施路平团队在类脑计算器件领域取得重要进展

11月20日，清华大学精密仪器系类脑计算团队、清华大学类脑计算研究中心、北京大学化学与分子工程学院和清华大学生命科学学院共同在《先进材料》（Advanced Materials）上在线发表题为《硒氧化铋三端忆阻器件中长短期可塑性共存和独立表达》（Truly concomitant and independently expressed short- and long-term plasticity in Bi2O2Se-based three-terminal memristor）的论文。该工作首次报道在忆阻器中能模拟同时存在且独立表达的神经突触长短期可塑性，为类脑计算器件的发展提供了重要的思路，并有望借此在类脑计算硬件网络中实现不同时域的神经动力学过程。

突触可塑性被认为是生物大脑学习和记忆功能的基础。突触中既存在长期可塑性也存在短期可塑性，多种尺度的可塑性机制对揭示大脑复杂的认知功能有重要作用。而纳米器件和集成电路的发展为模拟大脑创造了技术条件。

基于硒氧化铋三端忆阻器件的神经突触仿生器件

作为重要的神经突触仿生器件，忆阻器在过去十年中被广泛关注和研究。然而在以往的忆阻器中，长短期可塑性不能被同时和独立表达，这与生物突触中的行为截然不同。这一问题极大限制了基于忆阻器的类脑计算硬件网络功能。针对这一问题，该项工作提出利用三端忆阻器件实现长短期可塑性物理过程的空间分离和独立表达。电学测试表明，长短期可塑性的同时存在导致器件特有的电学响应特性。基于杂化密度泛函的量子力学第一性原理计算进一步解释了可塑性的原子尺度物理机理。这项工作也首次将硒氧化铋这种新型高迁移率层状半导体材料应用到忆阻器中，有望实现高速度、低功耗器件。借助长短期可塑性的共存特性，该项工作还建立了一个启发式的神经内稳态过程动力学模型，并通过循环脉冲神经网络进行了模拟。

神经突触仿生器件中同时存在且独立表达的长短期可塑性

清华大学类脑计算研究中心联合校内七大院系的研究人员成立，从脑科学和计算机科学出发，形成软硬件全链条协同研发、从基元材料、器件到系统集成、芯片研发全方位整体研发的特色，致力于通用人工智能的类脑计算实现。团队自主设计研发的“天机”系列类脑芯片成果在电子器件顶级会议（IEDM 2015）和计算机体系结构顶级会议（Micro 2016，ASPLOS 2018）上报告，并在《科学》智能机器人特刊上报道（2016），针对类脑芯片自主研发的学习算法成果被人工智能顶级会议（ICLR 2018，AAAI 2019）被录用。

该项工作（共同）第一作者为清华大学精密仪器系博士生张子阳、北京大学化学与分子工程学院博士生李天然、清华大学精密仪器系博士生吴郁杰、清华大学生命科学学院本科生贾寅君。清华大学精密仪器系施路平教授、清华大学生命科学学院张伟教授、北京大学化学与分子工程学院彭海琳教授、清华大学精密仪器系李黄龙助理教授是该项工作的共同通讯作者。该项工作受国家自然科学基金、苏州-清华创新引领行动专项、北京市脑科学专项、北京市未来芯片高精尖中心支持。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201805769

文字来源：清华大学精仪系