寧波材料所在人工智能超靈敏突觸器件研究中取得進(jìn)展

　　近日，谷歌研發(fā)的新版人工智能程序AlphaGo Zero從空白狀態(tài)，在無任何人類輸入的條件下迅速自學(xué)圍棋，并以100:0的戰(zhàn)績擊敗“前輩”AlphaGo，再次引起了人們對(duì)人工智能的關(guān)注?；谌祟惔竽X的神經(jīng)形態(tài)工程是人工智能的重要發(fā)展方向之一。人腦是由多達(dá)1011-1012個(gè)神經(jīng)元組成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，雖然它的功耗只有20W，但具有超強(qiáng)的學(xué)習(xí)和認(rèn)知能力。神經(jīng)元(Neurons)是人腦的基本組成單元，突觸(Synapse)是神經(jīng)元之間在功能上發(fā)生聯(lián)系的部位，也是信息傳遞的關(guān)鍵部位。研制具有生物突觸功能的電子器件，對(duì)于構(gòu)建神經(jīng)形態(tài)電路和實(shí)現(xiàn)智能計(jì)算機(jī)意義重大。憶阻器具有非線性電學(xué)性能和狀態(tài)記憶功能，與生物體的神經(jīng)突觸類似，并可以縮小到納米尺寸，因此憶阻器是實(shí)現(xiàn)突觸功能的理想電子器件，使實(shí)現(xiàn)與人腦結(jié)構(gòu)類似的人工智能硬件成為可能。

　　中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所納米事業(yè)部功能薄膜與智構(gòu)器件團(tuán)隊(duì)采用輕微氧化的硫化鋅（ZnS）薄膜構(gòu)筑了Cu/ZnS/Pt憶阻型突觸器件，該電子突觸表現(xiàn)出超高的電靈敏性。目前，文獻(xiàn)報(bào)道的用于模擬突觸的憶阻器件工作電壓一般為幾百毫伏至幾千毫伏，而生物突觸只需幾十毫伏就可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能，現(xiàn)有突觸器件相比生物突觸表現(xiàn)出了較差的電靈敏性，較大的工作電壓增加了器件的功耗和不穩(wěn)定性。該項(xiàng)工作制備的Cu/ZnS/Pt憶阻型突觸器件，在超低電壓(6 mV左右)下實(shí)現(xiàn)了神經(jīng)突觸可塑性，從而獲得了一種超高靈敏的突觸仿生器件，其靈敏度甚至超過了生物突觸，且功率低至納瓦量級(jí)。此外，通過簡單的集成，構(gòu)筑了5×5超靈敏突觸器件陣列，在超低電壓下實(shí)現(xiàn)了記憶和遺忘的動(dòng)態(tài)過程。超低的工作電壓有助于減小器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞，降低器件工作參數(shù)的波動(dòng)性，并提供了降低器件功耗的新途徑(目前文獻(xiàn)中普遍采用降低工作電流和減小脈沖寬度的手段)。

　　進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，通過細(xì)致的微觀結(jié)構(gòu)及成分表征，提出了該憶阻器件表現(xiàn)出優(yōu)異電學(xué)性能和超低工作電壓的機(jī)理—離子遷移速率在不同物質(zhì)中存在差異。在輕微氧化條件下，ZnS薄膜近表面的晶界處形成ZnO納米晶粒，導(dǎo)致Cu2+在該體系內(nèi)出現(xiàn)了遷移速率差，在含有ZnO納米晶粒的表面層遷移速率慢，而在純ZnS層遷移速率快，導(dǎo)致Cu細(xì)絲在生長過程中出現(xiàn)納米尺寸間隙（＜3 nm），Cu細(xì)絲的斷裂和連接位置鎖定在納米間隙處，因此施加超低的電壓就會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的電場，使器件的阻態(tài)產(chǎn)生轉(zhuǎn)變，并保證了器件的循環(huán)穩(wěn)定性。相關(guān)研究成果發(fā)表在Advanced Materials上，并申請(qǐng)兩項(xiàng)發(fā)明專利。

　　研究工作得到國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、浙江省杰出青年基金、寧波市科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)等的資助。

　　圖1.(a, b)低溫退火處理后ZnS薄膜雙層結(jié)構(gòu)示意圖，上層ZnO/ZnS復(fù)合層，下層為純ZnS層；(c)Cu/ZnS/Pt超靈敏突觸基本電學(xué)性能；(d)突觸器件工作機(jī)理示意圖

　　圖2.利用5×5突觸陣列對(duì)人類記憶和遺忘過程的動(dòng)態(tài)模擬。(a)分別施加幅值為5和 8 mV的脈沖電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)大寫字母‘V’和‘Y’的記憶，插圖為單個(gè)器件施加不同幅值電壓的電學(xué)響應(yīng)；(b)記憶和遺忘的演變過程，其中‘V’代表短程記憶，‘Y’代表長程記憶