如何利用單根GaN納米柱實(shí)現(xiàn)低功耗的微型人工突觸器件呢？

近年來(lái)，人工智能、大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)對(duì)數(shù)據(jù)處理的速度和效率有更高的要求，而傳統(tǒng)計(jì)算系統(tǒng)由于存儲(chǔ)和計(jì)算結(jié)構(gòu)的分離，其在處理數(shù)據(jù)密集型任務(wù)和人工智能任務(wù)時(shí)面臨著功耗和效率的瓶頸問(wèn)題。人類(lèi)大腦是最復(fù)雜的計(jì)算系統(tǒng)之一，可以通過(guò)密集協(xié)調(diào)的突觸和神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)同時(shí)存儲(chǔ)、整合和處理大量的數(shù)據(jù)信息，并且兼具高速和低功耗的優(yōu)勢(shì)。受人腦的啟發(fā)，人工突觸器件因具有同時(shí)處理和記憶數(shù)據(jù)的能力而受到廣泛關(guān)注，有望成為下一代神經(jīng)形態(tài)計(jì)算系統(tǒng)中的核心元器件。

GaN基納米柱具有表面體積比大、穩(wěn)定性高和能帶連續(xù)可調(diào)等優(yōu)勢(shì)，但是其能否作為一種理想材料制備低功耗的人工突觸器件，用于模擬生物突觸特性，是值得研究的問(wèn)題。中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所的陸書(shū)龍團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)了一種基于單根GaN納米柱的微型人工突觸器件。利用GaN單根納米柱的光響應(yīng)特性和小尺寸優(yōu)勢(shì)，在光刺激下該器件能夠有效模擬神經(jīng)突觸特性，且具有低功耗的優(yōu)勢(shì)，有助于推動(dòng)神經(jīng)形態(tài)計(jì)算系統(tǒng)的發(fā)展。相關(guān)研究成果發(fā)表于Photonics Research2023年第10期。

如圖1（a）所示，入射光、兩側(cè)電極和光生載流子分別模擬生物突觸中的動(dòng)作電位、突觸前/后膜以及神經(jīng)遞質(zhì)。如圖1（b）所示，器件的實(shí)物圖與設(shè)計(jì)結(jié)果相符合。該器件具有類(lèi)神經(jīng)突觸特性，且單次脈沖功耗可低至 2.72×10-12J，這有助于研發(fā)低功耗的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算系統(tǒng)。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬了對(duì)數(shù)字圖像的識(shí)別，在樣本庫(kù)里隨機(jī)抽取的20張圖片的識(shí)別結(jié)果顯示在圖1（c），而如圖1（d）所示，對(duì)整個(gè)樣本庫(kù)（10000張圖片）的識(shí)別準(zhǔn)確率可在30個(gè)訓(xùn)練周期后高達(dá)93%。



圖1（a）單根納米柱突觸器件的結(jié)構(gòu)示意圖；（b）單根納米柱突觸器件的掃描電鏡（SEM）實(shí)物圖；（c）從MNIST數(shù)據(jù)庫(kù)中隨機(jī)抽取的數(shù)字的識(shí)別結(jié)果；（d）仿真模型中識(shí)別精度與訓(xùn)練次數(shù)曲線(xiàn) 中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所副研究員趙宇坤介紹：“超小尺寸的GaN基納米柱不僅可以降低功耗，而且穩(wěn)定性好。該工作展示的單根納米柱能夠模擬生物突觸的多種功能，包括尖峰依賴(lài)特性、光強(qiáng)依賴(lài)特性以及學(xué)習(xí)能力。因此，基于單根納米柱的人工突觸器件在神經(jīng)形態(tài)計(jì)算系統(tǒng)和人工智能領(lǐng)域都有巨大的應(yīng)用潛力。”

目前器件的功耗指標(biāo)相比傳統(tǒng)器件具有一定優(yōu)勢(shì)，后續(xù)團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步降低器件的功耗，并且致力于推動(dòng)此新型光電器件的應(yīng)用進(jìn)程。

審核編輯：劉清