[发明专利]一种模拟生物神经突触的单元、装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于微电子器件领域，更具体地，涉及一种模拟生物神经突触的单元、装置及方法。

背景技术

基于冯诺依曼架构的传统计算机中，处理器与存储器是分立的，以总线连接。这样的架构存在所谓的“冯诺依曼瓶颈”，难以适应信息呈爆炸式增长的信息技术飞速发展的当今时代。

相比于冯诺依曼计算机，人脑神经信息活动具有大规模并行、分布式存储与处理、自组织、自适应和自学习的特征。传统的人工神经网络、神经形态工程学等领域的研究人员也一直致力于利用非线性电路、FPGA、VLSI等手段来模拟神经元电触发、突触可塑性等神经元突触的基本生物电特性以及更高级的模式识别、智能控制等认知功能，突破冯诺依曼架构。在这些方法中，仅模拟一个神经元、一个突触、一个学习模块就需要数十个晶体管、电容、加法器。然而，人的大脑中包括了多达~10¹¹个神经元以及~10¹⁵个突触，神经元、突触之间的连接更是混沌的、无比复杂的。这种传统的神经形态工程对于模拟人类大脑，即使是小鼠大脑都是无能为力的，IBM利用“蓝色基因”超级计算机使用了147456个处理器架构神经元网络来模拟猫的大脑皮层认知功能。如果能在纳米器件中实现神经元的信号处理，那么模拟整个大脑所需器件集成起来的芯片尺寸、功耗才能在可实现范围之内。

构建神经网络涉及神经元和神经突触设计和制备，其中学习和记忆被证实是存储在神经突触中，而人脑中神经突触的数目是神经元数目的约10⁴倍，在传统VLSI、CMOS方法构建的神经电路中，突触元件占整个电路面积的80%以上，且消耗了绝大部分电路的功耗，因此迫切需要一种能实现突触功能的结构简单，尺寸小，功耗低的元器件。公开号为CN101770560A，发明名称为：模拟生物神经元信息处理机制的信息处理方法及装置的专利申请文件中提到基于CMOS集成电路用多个晶体管构成一个神经元，而且不涉及具有学习能力的神经突触。公开号为CN1670963A，发明名称为：仿神经元突触结构的柔性三极管的专利申请文件中提到的是仅仅模拟神经元突触的结构，而没有实现神经突触的功能。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种模拟生物神经突触的单元，旨在解决用多个元器件才能实现一个神经突触功能的问题。

本发明提供了一种模拟生物神经突触的单元，包括第一电极层、与所述第一电极层连接的功能材料层，与所述功能材料层连接的第二电极层；所述第一电极层用于模拟突触前，所述第二电极层用于模拟突触后，所述功能材料层的材料为硫系化合物，所述功能材料层的电导用于模拟突触权重；通过给所述第一电极层施加第一脉冲信号来模拟突触前刺激，通过给所述第二电极层施加第二脉冲信号来模拟突触后刺激。

更进一步地，所述第一电极层用于接收外部的第一脉冲信号，所述第二电极层用于接收外部的第二脉冲信号；当所述第一脉冲信号的幅值与所述第二脉冲信号的幅值之间的差值为正或负时，所述功能材料层的电导发生改变实现了生物神经突触的突触权重调节功能的模拟；当所述第一脉冲信号的频率与所述第二脉冲信号的频率之间的差值为正或负时，所述功能材料层的电导发生改变实现了生物神经突触的脉冲速率依赖突触可塑性功能的模拟；当所述第一脉冲信号的幅值与所述第二脉冲信号的幅值之间的信号差峰值为正或负时，所述功能材料层的电导发生改变实现了生物神经突触的脉冲时间依赖突触可塑性功能的模拟。

更进一步地，所述第一电极层的材料为惰性导电金属；所述第二电极层的材料为活泼导电金属。

更进一步地，所述第一电极层、所述功能材料层和所述第二电极层构成三明治叠层结构、T型结构、I型结构或金字塔型结构。

本发明还提供一种模拟生物神经突触的装置，包括多个阵列排布的神经突触单元以及与所述神经突触单元连接的控制器，所述神经突触单元为上述的单元。

更进一步地，所述控制器用于给所述第一电极层施加第一脉冲信号，给所述第二电极层施加第二脉冲信号，并控制所述第一脉冲信号的幅值与所述第二脉冲信号的幅值之间的差值为正或负，控制所述第一脉冲信号的频率与所述第二脉冲信号的频率之间的差值为正或负，控制所述第一脉冲信号的幅值与所述第二脉冲信号的幅值之间的信号差峰值为正或负。

本发明还提供一种模拟生物神经突触的方法，包括下述步骤：

在第一电极层上施加第一脉冲信号，在第二电极层上施加第二脉冲信号；

通过控制所述第一脉冲信号的幅值与所述第二脉冲信号的幅值之间的差值的正或负来调节所述功能材料层的电导的变化并模拟生物神经突触的突触权重调节功能；