科学家研发新一代神经突触器件，能模仿人脑进行AI计算

近年来，AI算法的蓬勃发展描绘了无限的应用前景，这启发人们开发了这样一种新型智能硬件:它可以像人脑一样以低功耗、高性能的方式完成抽象的学习过程和复杂的计算过程。

神经突触器件是实现这种新型硬件所需的半导体组件之一。通过不断调整，它可以收集、存储和处理数据，从而模仿生物神经突触的行为。与传统的数字计算方法相比，它可以实现功能更新、能耗更低的模拟计算功能。

与目前成熟的神经突触器件相比，它在结构上主要由忆阻器和忆阻器组成，其机制主要有离子和缺陷迁移、电荷俘获、铁极化调制、相变等。

为了获得这种器件的核心材料，通常需要化学气相沉积、溅射、原子层沉积和其他制备工艺。

由于上述原因，这类设备不可避免地会遇到一些困难，如设备间的不一致性、不可控的随机性、较低的转换速率、有限的存储状态数等。只有解决了这些问题，神经突触器件才能真正大规模应用于AI硬件。2016超级碗中场秀嘉宾

基于此，美国亚利桑那大学材料系的助理教授和合作者跳出了传统器件制备机制和工艺的局限，从新的材料体系和物理机制出发，开发了新一代神经突触器件。

图|闫晓东（来源:）

据介绍，莫尔超晶格是一种新型材料体系。当二维莫尔超晶格材料以特定角度堆叠在一起时，它们将显示出新奇的物理现象。

在过去的几年里，人们在莫尔超晶格中发现了新的物理现象，如非常规超导、轨道磁性和魏格纳晶态，同时莫尔超晶格独特的电子特性也被揭示出来。

然而，这些特性通常需要在极低的液氦温度下实现，而液氦温度在室温下无法保持，因此这种丰富的材料体系很难与实际应用联系起来。

直到2020年，来自麻省理工学院（MIT）和美国波士顿学院的研究人员发现，在hBN/BLG（hBN/双层石墨烯）摩尔超晶格中存在一种非常规铁电现象，这种现象可以在室温下保持。

之后，在更多的莫尔超晶格中发现了室温铁电现象，这也为莫尔超晶格的实际应用带来了曙光。

在此背景下，等人从hBN/BLG莫尔超晶格中的非常规铁电现象出发，在室温下实现了莫尔神经突触晶体管。在复杂情况下，它具有实现AI算法的功能。

（来源:自然）

他们发现，由于hBN/BLG中周期性莫尔电势的存在，电子和空空穴可以在莫尔神经突触晶体管中以双重状态存在，即它们既可以在通道中自由移动，也可以被莫尔电势束缚。

因此，垂直不对称莫尔势将使载流子在两种状态的切换中服从一种全新的机制，他们后来将其命名为电子棘轮机制。

棘轮机制由hBN和BLG之间的莫尔角决定，这是特定角度下hBN/BLG莫尔超晶格的固有特性，不依赖于人为引入的缺陷、相变、晶界等。

因此，莫尔神经突触晶体管的制备和放大只需要确保二维材料以一定角度精确堆叠即可，因此可以避免传统突触器件的物理机制和制备工艺导致的不可控随机性和器件之间的不一致性。

在棘轮机制下，可以通过改变栅极电压的扫描范围和扫描方向来控制器件的传输特性。在顶栅的作用下，这种器件的电导值可以非易失性地连续调节，稳定性非常好，因此可以实现各种神经网络算法。

同时，该器件采用非对称结构，可以使顶栅和底栅对器件实现不同的控制功能。在双重网格的共同作用下，该装置表现出了很高的可重构性和可操作性，基于该装置的神经网络可以以极其简单的方式模拟生物神经元遵循的Bienenstock-Cooper-Munro模型。

同时，这款设备还具有应对外部干扰的自适应功能，这有助于增强AI的鲁棒性，使AI能够在恶劣环境中准确运行自动驾驶功能。

事实上，云纹神经突触晶体管不仅是实现类脑计算的有力工具，而且具有超低能耗的特点，单个设备的能耗约为20皮瓦，非常有利于实现低能耗的超大规模神经网络，因此可用于可穿戴智能设备、无人机等能源供应有限的场景。

近日，相关论文以“室温下具有神经形态功能的Morley突触晶体管”（）为题发表在《自然》【1】上。

和麻省理工学院博士生Zhiren Zheng与波士顿学院教授Pablo Harrillo-Ereio（）和美国西北大学教授Mark Hessam（）是合著者。

图|相关论文（来源:Nature）

同期，《自然》杂志也发表了题为《二维物质提升计算中的生物现实主义》（）的综述文章，介绍了该装置在机制上的创新和在计算上的优异表现【2】。创维led电视怎么样啊

未来，随着晶圆级二维材料生长技术的进步和机器人辅助二维材料堆叠技术的完善，云纹神经突触晶体管将在量产和阵列方面取得新的突破。

基于莫尔神经突触晶体管的神经网络硬件将具有高性能、自适应和低功耗的特点，可用于智能可穿戴设备、无人机、自动驾驶、量子信息等领域。

未来，合作者将结合扭转电子、类脑计算和人工智能，探索材料和结构的创新，提高设备性能，降低设备能耗，促进设备的大规模阵列，以及此类设备在光学、电学和计算领域的应用。

参考资料:

1.具有室温神经形态功能的莫尔突触晶体管。自然624，551–556（2023年）。https://doi.org/10.1038/s41586-023-06791-1

2.科彭斯、F. H .艾蒙、J. B。吉斯，f . s .（2023年）。2D材料公司提升了计算领域的生物现实主义。

运营/排版:何陈龙

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