柔性、透明和晶圆级人工突触阵列用于神经形态计算

研究背景

在传统的冯-纽曼架构中，信息和数据需要通过数据总线在处理器和存储器之间进行传输和交换。这个过程需要付出高昂的能源成本和额外的时间消耗，这就是所谓的“内存墙”。在过去的几十年里，为了满足日益增长的数据存储、海量信息通信的存储需求，以及探索一种高效的数据处理方法，研究人员关注一种基于大脑的神经形态内存计算(IMC)，它通过内部神经元处理和存储信息。此外，神经元的一个基本特征是突触可塑性。从功能上讲，忆阻器是一种具有记忆功能的非线性电阻，由于具有低功耗、快速读取速度、与传统互补金属氧化物半导体(CMOS)器件集成兼容等优点，被认为是模拟神经形态MC的完美电子突触器件。迄今为止，用于神经形态IMC的基于忆阻器的人工神经网络的最先进性能已达到每瓦每秒>10 万亿次操作。基于忆阻器的人工突触阵列被认为是未来应用于图像识别、元数据和软机器人技术的最佳候选者之一。

近来，随着智能柔性可穿戴设备和透明电子设备的蓬勃发展，传统膜片的低透光率已不能满足智能家居、智能健康检测、增强现实等可穿戴设备的要求。因此，具有高透光率的柔性记忆体阵列已被提上日程。许多种类的新材料已经被开发出来并用于制备柔性或透明的记忆体，如 hBN，NiO，MoS2，钙钛矿和有机聚合物。虽然这些报道展示了适当的机械灵活性，但在透明度方面没有深入探讨。此外，也有一些关于兼具柔性和透明性的忆阻器的报道，但大多数报道的柔性和透明忆阳器都是基干复杂的聚合物复合材料。然而，现有柔性透明记忆体的长期稳定性和机械耐久性以及材料制备过程的复杂性都值得进一步优化。

研究成果

基于二维(2D)材料的高密度神经形态计算记忆体阵列为下一代信息处理元件和忆阻器计算系统铺平了道路。然而，传统的基于二维材料的忆阻器装置存在灵活性差和不透明的问题这阻碍了忆阻器在柔性电子产品中的应用。在此，中山大学桂许春教授团队通过便捷、节能的溶液加工技术制造了基于TiOx/Ti3C2Tx薄膜的柔性人工突触阵列，实现了高透光率(~90%)和抗氧化性(>30天)。TiOx/Ti3C2Tx 记忆体显示出较低的器件间变异性、较长的记忆保持和持久性、较高的开/关比率和基本的突触行为。此外，TiOx/Ti3C2Tx 忆阻器实现了令人满意的灵活性(R=1.0毫米)和机械耐久性(104 次弯曲循环)，这比其他通过化气相沉积法制备的薄膜忆阻器要好。此外，高精度(>96.44%)的MNIST 手写数字识别分类模拟表明，TiOx/Ti3C2Tx 人工突触阵列有望在未来的神经形态计算中得到应用并为新型柔性智能电子设备提供优秀的高密度神经元电路。相关研究以“Flexible, Transparent and Wafer-scale Artificial Synapse Array Based on TiOx/Ti3C2Tx Film for Neuromorphic Computing”为题发表在Advanced Materials期刊上。

图文导读

Figure 1. Fabrication and characterization of TiOx/Ti3C2Tx film and related artificial synapse array.

Figure 2. Electrical characteristics and physical switching mechanism of memristor array.

Figure 3. Mechanical endurance of the flexible memristor array.

Figure 4. Synaptic behaviors of artificial synapse array.

Figure 5. Neuromorphic computing and synaptic plasticity of artificial synapse array.

总结与展望

作者展示了一种基于晶圆级 TiOx/Ti3C2Tx 薄膜的灵活、高度透明的忆阻器阵列，用于非易失性存储器和神经形态计算应用。这种紧凑而均匀的薄膜是通过一种方便、节能的溶液加工技术和原位退火氧化实现的，通过这种方法，可以在Ti3C2Tx纳米片上制备出具有非晶态TiOx层的异质结构，以达到抗氧化的目的。由于制备了高质量的薄膜基于TiOx/Ti3C2Tx的忆阻器阵列表现出较低的器件间变异性、较长的记忆保持时间和耐久性、较高的开/关比率。值得注意的是，溶液加工的TiOx/Ti3C2Tx基的记忆体实现了高性能的灵活性，具有令人满意的机械耐久性，同时保持高度的透明度，这为柔性智能显示设备和电子皮肤中的 IMC 提供了一个通用的平台。此外，基本的突触行为，包括 PPF、STP、STD、LTP、LTD，以及从短期记忆到长期记忆的过渡，都被实现在神经计算中。此外，基于通过施加脉冲更新设备的可调控电导，模拟了一个全连接的 ANN，在 MNIST 数据库中实现了手写数字识别的任务，准确率高达96.44%。简而言之，基于TiOx/Ti3C2Tx的薄膜人工突触为高密度存储系统和多功能内存、神经形态计算集成电路打开了一扇大门。

文献链接

Flexible, Transparent and Wafer-scale Artificial Synapse Array Based on TiOx/Ti3C2Tx Film for Neuromorphic Computing

https://doi.org/10.1002/adma.202303737

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