「材料科学」用氧化物定制人脑之梦( 六 )
图9. 基于拓扑相转换材料电解质晶体管的非易失逻辑操作 。 我们使用两个侧栅极控制沟道电导变化 [13] 。
行文至此 ， 我们已经通过几例典型实例 ， 展示了多类“电解质突触晶体管”及其主体功能 。 虽然这些原型器件在操作速度、器件集成等方面仍需优化 ， 也可能还面临 scaling up 技术上的各种挑战与困难 ， 但电解质突触晶体管的如下独特优势已经得到认可：(1) 工作方式与生物突触颇为相似 ， 能够在类脑仿生方面大显身手 。 (2) 晶体管的线性度表现不错 ， 这对于神经形态计算准确率提高大有裨益 。 (3) 晶体管读写分离 。 理论上能耗水平非常低 。
总之 ， 笔者相信 ， 假以时日 ， 电解质突触晶体管走向下一阶段应用研发 ， 已是可期之势 。
05
铁电突触器件
依笔者的观点 ， 还需要指出 ， 电解质晶体管尽管有这样那样的优点和吸引人之处 ， 但离子运动 (质子 H+、氧空位 VO 等) 毕竟是一种惯性犹在、速率难高的过程 ， 所以电解质在需要超快响应的行为中 ， 显得有些笨拙和青涩 。 电子或声子的运动就要好得多 ， 不仅仅在于其轻灵活络 ， 更在于其量子波动的特征明显 ， 可以实现 coherent、phase matching 和 tunneling 。 因此 ， 物理人总是希望能够用纯电效应和相联系的量子过程来控制材料 。 并且 ， 离子的引入还会带来扩散等其它毛病 。
沿着这一思路 ， 很容易想到：在电场下进行翻转的铁电畴 ， 能否在神经突触器件方面一试身手呢？
当然 ， 这方面过去多年有很多工作发表 ， 包括我们自己的努力 。 基于 BaTiO3 外延超薄膜 ， 我们尝试制备了铁电隧穿结 。 通过与 SrTiO3 体系的对比实验 ， 我们阐明了长久以来关于铁电隧穿结中铁电极化和离子移动作用的争议 ， 在此基础上设计的器件展现了大的开关比值 [14] 。 南京大学吴迪团队最近在 Advanced Materials上的铁电隧穿结综述文章 ， 总结了近十年来该领域所有重要工作的开关比 ， 显示我们得到的开关比性能最佳 [15] 。
铁电极化只有两个状态 ， 如何控制铁电畴实现非易失性的多状态存储是需要解决的关键科学问题 。 我们在上述铁电隧穿结工作基础上 ， 从时间尺度细致研究了铁电畴翻转动力学 ， 进而能够精细地调控铁电畴逐渐翻转实现上百个中间非易失状态 ， 该铁电突触器件展现出超低的能耗、多状态、优异耐久性、超高线性度和对称性 ， 如图 10 所示 。 此外 ， 利用铁电氧化物薄膜的电容效应和畴翻转行为 ， 可分别实现短程和长程可塑性 。 基于铁电畴翻转的电子突触器件构成的人工神经网络对标准图库 MNIST 识别率可达到 96.4 % 。 这是目前两端器件的最高水平 ， 展现出铁电氧化物材料在神经形态器件应用上的潜力 。 看君有意 ， 可参考发表于 Adv. Mater. 1905764 (2019) 的相关论文 [16] 。
本文插图
图10. 基于铁电畴逐渐翻转的两端突触器件 。 压电力显微镜表明铁电超薄膜具有良好铁电性 (上左)；施加不同脉冲宽度的电压可以在铁电隧穿结中实现非易失性多态存储 (上右)；铁电隧穿结的长程增强和减弱可塑性具有超高线性度和对称性 (下) [16] 。
06
总结与展望
毫无疑问 ， 功能氧化物丰富的物理性质为实现神经突触器件提供了多样选择 。 笔者从材料界面调控和突触器件物理的角度展开描述的若干研究工作 ， 给出了我们的心得体会：电解质突触晶体管是优良的器件仿生结构 ， 而基于铁电功能的类突触器件之综合性能优异 。 这些器件制备及其物理都值得深入研究 。
当然 ， 基于功能氧化物突触器件的类脑智能研究还处于起步阶段 ， 未来面临着许多机遇和挑战 。 短期看 ， 高性能的突触阵列可以用来加速需要大量矩阵运算的深度学习神经网络、降低系统功耗 。 目前 ， 通过人工突触阵列和深度学习算法 ， 能够使功能氧化物薄膜具备“学习”能力 。 在此基础上 ， 可以进行“识别”等简单的人工智能任务 。 长远看 ， 现在的研究尚处于初级水平 ， 还需要从器件、架构、算法等方面全方位进行革新 ， 才能打造出基于人工神经元和突触的功能氧化物“大脑” (图 11) ， 搭配先进的算法使其能产生“意识”等高级的类脑智能 。
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