忆阻器控制人工突触的最新研究进展

世界各地的科学家都在致力于忆阻器的研究,这些元件能够在极低的功率下运行,其行为类似于大脑中的神经元。来自Jülich Aachen研究联盟(JARA)和德国技术集团Heraeus公司的研究人员现在发现了如何系统地控制这些元件的功能行为。研究人员发现材料组成中最微小的差异是至关重要的:这些差异小到以至于直到现在专家们还没有注意到。研究人员的设计方向可以帮助提高基于忆阻技术的应用的多样性,效率,选择性和可靠性,例如节能,非易失性存储设备或受神经启发计算机

忆阻器控制人工突触的最新研究进展
突触是神经元之间的连接,当它们被快速连续的电脉冲激发时,能够以不同程度的强度传输信号。
忆阻器通过施加电压以类似于突触连接的方式改变电传输强度。

忆阻器被认为是计算机芯片中传统纳米电子元件的一种非常有前途的替代品。由于其优越的功能,全世界许多公司和研究机构都在都迫切地追求其发展。日本企业NEC公司早在2017年就已经在太空卫星上安装了第一批原型机。其他许多领先的公司,如惠普、英特尔、IBM和三星等都在努力将基于忆阻元素的创新型计算机和存储设备推向市场。

从根本上说,忆阻器只是“带存储器的电阻器”,其中高电阻可以切换为低电阻,然后再切换回低电阻。这意味着从原理上讲,这种器件是自适应的,类似于生物神经系统中的突触。记忆元件被认为是模拟大脑的神经启发计算机的理想候选者,这吸引了人们对深度学习和人工智能的极大兴趣。

该研究团队描述了如何有选择地控制忆阻元件的开关和神经形态行为。根据他们的发现,关键因素是开关氧化物层的纯度。

到目前为止,专家们忽略了这一影响。它可以非常专门地用于设计忆阻系统,其方式类似于在信息技术中掺杂半导体。

近年来,忆阻器件的开发和使用取得了显着进展,然而,这一进展通常只是凭经验得出的。利用该研究团队所获得的见识,制造商现在可以有条不紊地开发忆阻元件,以选择所需的功能。掺杂浓度越高,随着传入电压脉冲数的增加和减少,元件的电阻变化越慢,电阻越稳定。这意味着该研究团队已经找到了一种设计具有不同兴奋性的人工突触类型的方法。

人工突触的设计规范

大脑学习和保留信息的能力在很大程度上可以归因于这样的事实,即当经常使用它们时,神经元之间的联系会增强。忆阻器件具有不同类型,例如电化学金属化单元(ECM)或价变化存储单元(VCM)。当使用这些组件时,电导率随输入电压脉冲数量的增加而增加。这些变化也可以通过施加相反极性的电压脉冲来逆转。

JARA的研究人员对ECM进行了系统的实验,ECM由一个铜电极、一个铂电极和中间的二氧化硅层组成。得益于与Heraeus研究人员的合作,JARA的科学家们获得了不同类型的二氧化硅:一种是纯度为99.999999999%的二氧化硅–也叫8N二氧化硅–还有一些含有100-10000ppm(百万分之几)的外来原子。实验中使用的精确掺杂玻璃是由石英玻璃专家Heraeus Conamic公司专门开发和制造的,该公司还拥有该过程的专利。铜和质子作为流动掺杂剂,而铝和镓作为非挥发性掺杂剂。

记录切换时间确认理论

基于他们的一系列实验,研究人员能够证明,随着掺杂原子数量的变化,ECMs的开关时间也会发生变化。如果开关层是由8N二氧化硅构成的,那么记忆元件只需1.4纳秒的开关时间。迄今为止,ECMs的最快测量值约为10纳秒。通过在组件的氧化层中掺杂高达10000 ppm的外来原子,开关时间延长到毫秒范围内。这有助于我们理解纳米尺度上的物理化学过程,并在实践中应用这些知识。瓦基于普遍适用的理论考虑,在实验结果的支持下,一些文献中也有记载,研究人员相信掺杂/杂质效应是存在的,可以应用于所有类型的记忆元件

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