忆阻器突破:首个像神经元一样起作用的电子器件

使工程师无法复制大脑的能量效率和脑计算技能的关键是,缺少一种可以独自发挥神经元作用的电子设备。为此,将需要一种特殊的设备,该设备的行为比尚未创建的任何设备都要复杂。现在科学家在忆阻器取得突破,制造出首个像神经元一样起作用的电子器件。

惠普实验室的Suhas Kumar,德克萨斯A&M的R. Stanley Williams和已故的斯坦福大学学生Ziwen Wang发明了一种满足这些要求的设备。单独使用简单的直流电压作为输入,该设备可以输出整个神经活动,就像你的大脑处理事物一样。他们上周在自然》杂志上描述了该装置。

忆阻器突破:首个像神经元一样起作用的电子器件

新器件结合了电阻,电容和莫特忆阻。最关键的部分是纳米薄的氧化铌(NbO2)层。

它将电阻,电容和所谓的Mott忆阻器全部集成在同一设备中。忆阻器是以电阻形式保存电流的存储器。莫特忆阻器具有附加功能,因为它们还可以反映温度驱动的电阻变化。处于Mott过渡状态的材料根据温度在绝缘和导电之间转换。这是自1960年代以来就已出现的特性,但直到最近才在纳米级设备中进行了探索。

该转变发生在忆阻器中的纳米级氧化铌条中。在此,当施加直流电压时,NbO 2会略微发热,使其从绝缘转变为导电。一旦发生这种切换,电容中累积的电荷就会流过。然后,设备冷却到刚好足以触发转换回绝缘状态。结果是电流尖峰类似于神经元的动作电位。

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 威廉姆斯说:“我们已经努力五年了。” “在一个很小的纳米级材料结构中,正在发生很多事情。”

根据Kumar的说法,忆阻器发明者Leon Chua预测,如果绘制出可能的设备参数,则行为稳定的区域之间将存在混乱的行为区域。在某些混沌区域的边缘,可以存在执行新的人造神经元功能的设备。

忆阻器突破:首个像神经元一样起作用的电子器件

他们首先通过构建尖峰版本的布尔逻辑门(NAND和NOR),然后通过构建小型模拟优化电路来对器件进行测试。

要把它们变成实用的设备并将它们扩展到可能挑战当今机器的有用系统,还有很多工作要做。例如,库马尔(Kumar)和威廉姆斯(Williams)计划探索在不同温度下经历莫特转变的其他可能材料。NbO2的作用温度为800℃,令人担忧,这个温度只发生在纳米薄层,但放大到数以百万计的设备上,这可能是一个问题。

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