清華精儀系施路平團(tuán)隊(duì)在類(lèi)腦計(jì)算器件領(lǐng)域取得重要進(jìn)展

清華新聞網(wǎng)11月27日電 11月20日，清華大學(xué)精密儀器系類(lèi)腦計(jì)算團(tuán)隊(duì)、清華大學(xué)類(lèi)腦計(jì)算研究中心、北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院和清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院共同在《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）上在線(xiàn)發(fā)表題為《硒氧化鉍三端憶阻器件中長(zhǎng)短期可塑性共存和獨(dú)立表達(dá)》（Truly concomitant and independently expressed short- and long-term plasticity in Bi2O2Se-based three-terminal memristor）的論文。該工作首次報(bào)道在憶阻器中能模擬同時(shí)存在且獨(dú)立表達(dá)的神經(jīng)突觸長(zhǎng)短期可塑性，為類(lèi)腦計(jì)算器件的發(fā)展提供了重要的思路，并有望借此在類(lèi)腦計(jì)算硬件網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)不同時(shí)域的神經(jīng)動(dòng)力學(xué)過(guò)程。

突觸可塑性被認(rèn)為是生物大腦學(xué)習(xí)和記憶功能的基礎(chǔ)。突觸中既存在長(zhǎng)期可塑性也存在短期可塑性，多種尺度的可塑性機(jī)制對(duì)揭示大腦復(fù)雜的認(rèn)知功能有重要作用。而納米器件和集成電路的發(fā)展為模擬大腦創(chuàng)造了技術(shù)條件。

基于硒氧化鉍三端憶阻器件的神經(jīng)突觸仿生器件

作為重要的神經(jīng)突觸仿生器件，憶阻器在過(guò)去十年中被廣泛關(guān)注和研究。然而在以往的憶阻器中，長(zhǎng)短期可塑性不能被同時(shí)和獨(dú)立表達(dá)，這與生物突觸中的行為截然不同。這一問(wèn)題極大限制了基于憶阻器的類(lèi)腦計(jì)算硬件網(wǎng)絡(luò)功能。針對(duì)這一問(wèn)題，該項(xiàng)工作提出利用三端憶阻器件實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)短期可塑性物理過(guò)程的空間分離和獨(dú)立表達(dá)。電學(xué)測(cè)試表明，長(zhǎng)短期可塑性的同時(shí)存在導(dǎo)致器件特有的電學(xué)響應(yīng)特性?；陔s化密度泛函的量子力學(xué)第一性原理計(jì)算進(jìn)一步解釋了可塑性的原子尺度物理機(jī)理。這項(xiàng)工作也首次將硒氧化鉍這種新型高遷移率層狀半導(dǎo)體材料應(yīng)用到憶阻器中，有望實(shí)現(xiàn)高速度、低功耗器件。借助長(zhǎng)短期可塑性的共存特性，該項(xiàng)工作還建立了一個(gè)啟發(fā)式的神經(jīng)內(nèi)穩(wěn)態(tài)過(guò)程動(dòng)力學(xué)模型，并通過(guò)循環(huán)脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了模擬。

神經(jīng)突觸仿生器件中同時(shí)存在且獨(dú)立表達(dá)的長(zhǎng)短期可塑性

清華大學(xué)類(lèi)腦計(jì)算研究中心聯(lián)合校內(nèi)七大院系的研究人員成立，從腦科學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)出發(fā)，形成軟硬件全鏈條協(xié)同研發(fā)、從基元材料、器件到系統(tǒng)集成、芯片研發(fā)全方位整體研發(fā)的特色，致力于通用人工智能的類(lèi)腦計(jì)算實(shí)現(xiàn)。團(tuán)隊(duì)自主設(shè)計(jì)研發(fā)的“天機(jī)”系列類(lèi)腦芯片成果在電子器件頂級(jí)會(huì)議（IEDM 2015）和計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)頂級(jí)會(huì)議（Micro 2016，ASPLOS 2018）上報(bào)告，并在《科學(xué)》智能機(jī)器人特刊上報(bào)道（2016），針對(duì)類(lèi)腦芯片自主研發(fā)的學(xué)習(xí)算法成果被人工智能頂級(jí)會(huì)議（ICLR 2018，AAAI 2019）被錄用。

該項(xiàng)工作（共同）第一作者為清華大學(xué)精密儀器系博士生張子陽(yáng)、北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院博士生李天然、清華大學(xué)精密儀器系博士生吳郁杰、清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院本科生賈寅君。清華大學(xué)精密儀器系施路平教授、清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院張偉教授、北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院彭海琳教授、清華大學(xué)精密儀器系李黃龍助理教授是該項(xiàng)工作的共同通訊作者。該項(xiàng)工作受?chē)?guó)家自然科學(xué)基金、蘇州-清華創(chuàng)新引領(lǐng)行動(dòng)專(zhuān)項(xiàng)、北京市腦科學(xué)專(zhuān)項(xiàng)、北京市未來(lái)芯片高精尖中心支持。

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201805769

供稿：精儀系 編輯：趙姝婧 審核：襄楠