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Memtransistor让世界更接近大脑般的计算

计算机算法可能正在执行类似大脑的功能,例如面部识别和语言翻译,但计算机本身尚未像大脑那样运作。

“计算机具有独立的处理和存储单元,而大脑使用神经元来执行这两种功能,”西北大学的Mark C. Hersam说。“与数字计算机相比,神经网络可以实现复杂的计算,并且能耗显着降低。”

近年来,研究人员一直在寻找使计算机更具神经性或大脑状态的方法,以便高效地执行日益复杂的任务。现在,西北大学麦考密克工程学院的材料科学与工程系Walter P. Murphy教授Hersam和他的团队正在使世界更接近实现这一目标。

研究小组开发了一种名为“memtransistor”的新型设备,通过执行内存和信息处理,它可以像神经元一样运行。凭借忆阻器和晶体管的组合特性,memtransistor还包含多个与神经网络类似地操作的终端。

该研究由国家标准与技术研究所和国家科学基金会资助,于2月22日在线发表于“ 自然”杂志。Hersam建议的博士后研究员Vinod K. Sangwan和Hong-Sub Lee担任该论文的共同第一作者。

memtransistor基于2015年发布的工作,其中Hersam,Sangwan及其合作者使用单层二硫化钼(MoS2)创建了一个三端子,可调谐的忆阻器,用于快速,可靠的数字存储器存储。忆阻器是“存储器电阻器”的缩写,是电流中的电阻器,“记住”先前施加到它们上的电压。典型的忆阻器是双端子电子设备,只能控制一个电压通道。通过将其转换为三端器件,Hersam为忆阻器用于更复杂的电子电路和系统铺平了道路,例如神经形态计算。

为了开发存储器,Hersam的团队再次使用具有明确晶界的原子级薄MoS2,这会影响电流。与纤维在木材中排列的方式类似,原子被排列成有序域 - 称为“晶粒” - 在材料中。当施加大电压时,晶界促进原子运动,引起电阻变化。

“由于二硫化钼原子级很薄,很容易受到外加电场的影响,”Hersam解释道。“这种性质使我们能够制造晶体管。忆阻器特性来自于材料中的缺陷相对移动的事实,特别是在存在晶界的情况下。”

但与他之前使用单个小片MoS2的忆阻器不同,Hersam的memtransistor使用了包含大量小片的多晶MoS2连续膜。这使得研究团队能够将设备从一个薄片扩展到整个晶圆上的多个器件。

“当器件的长度大于单个晶粒尺寸时,保证晶圆上的每个器件都有晶界,”Hersam说。“因此,我们在大型设备阵列中看到了可重现的,门可调的忆阻响应。”

在整个晶圆上均匀地制造存储器后,Hersam的团队增加了额外的电气接触。典型的晶体管和Hersam之前开发的忆阻器各有三个端子。然而,在他们的新论文中,该团队实现了一个七终端设备,其中一个终端控制其他六个终端之间的电流。

“这更类似于大脑中的神经元,”Hersam说,“因为在大脑中,我们通常只有一个神经元与另一个神经元相连。相反,一个神经元与多个其他神经元相连,形成一个神经元。我们的设备结构允许多个接触,这类似于神经元中的多个突触。“

接下来,Hersam和他的团队正在努力使memtransistor更快更小。Hersam还计划继续扩大设备用于制造目的。

“我们相信,memtransistor可以成为新型神经形态计算的基础电路元件,”他说。“然而,正如我们在论文中所做的那样,制造数十种器件与制造十亿种器件不同,现在已经采用传统的晶体管技术制造了十亿种器件。到目前为止,我们没有看到任何阻碍我们进一步扩大规模的基本障碍。办法“。

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