一種模擬生物神經突觸的單元、裝置及方法制造方法及圖紙

本發明專利技術公開了一種基于硫系化合物的模擬生物神經突觸的單元、裝置及方法，該單元包括第一電極層、功能材料層和第二電極層；第一電極層接收第一脈沖信號，第二電極層接收第二脈沖信號。器件能根據輸入信號改變其電導模擬突觸權重的改變。當第一脈沖信號的頻率與第二脈沖信號的頻率之間的差值為正或負時，電導發生改變實現了生物神經突觸的脈沖頻率依賴突觸可塑性功能的模擬；當第一脈沖信號與所述第二脈沖信號之間的信號差峰值為正或負時，電導發生改變實現了生物神經突觸的脈沖時間依賴突觸可塑性功能的模擬。本發明專利技術能在單個無機器件實現生物神經突觸的基本功能，提供構成人工神經網絡的基本元器件，能夠取得提高集成度、降低功耗的效果。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于微電子器件領域，更具體地，涉及。
技術介紹
基于馮諾依曼架構的傳統計算機中，處理器與存儲器是分立的，以總線連接。這樣的架構存在所謂的“馮諾依曼瓶頸”，難以適應信息呈爆炸式增長的信息技術飛速發展的當今時代。相比于馮諾依曼計算機，人腦神經信息活動具有大規模并行、分布式存儲與處理、自組織、自適應和自學習的特征。傳統的人工神經網絡、神經形態工程學等領域的研究人員也一直致力于利用非線性電路、FPGA、VLSI等手段來模擬神經元電觸發、突觸可塑性等神經元突觸的基本生物電特性以及更高級的模式識別、智能控制等認知功能，突破馮諾依曼架構。在這些方法中，僅模擬一個神經元、一個突觸、一個學習模塊就需要數十個晶體管、電容、加法器。然而，人的大腦中包括了多達111個神經元以及 1015個突觸，神經元、突觸之間的連接更是混沌的、無比復雜的。這種傳統的神經形態工程對于模擬人類大腦，即使是小鼠大腦都是無能為力的，IBM利用“藍色基因”超級計算機使用了 147456個處理器架構神經元網絡來模擬貓的大腦皮層認知功能。如果能在納米器件中實現神經元的信號處理，那么模擬整個大腦所需器件集成起來的芯片尺寸、功耗才能在可實現范圍之內。構建神經網絡涉及神經元和神經突觸設計和制備，其中學習和記憶被證實是存儲在神經突觸中，而人腦中神經突觸的數目是神經元數目的約IO4倍，在傳統VLS1、CMOS方法構建的神經電路中，突觸元件占整個電路面積的80%以上，且消耗了絕大部分電路的功耗，因此迫切需要一種能實現突觸功能的結構簡單，尺寸小，功耗低的元器件。公開號為CN101770560A，專利技術名稱為:模擬生物神經元信息處理機制的信息處理方法及裝置的專利申請文件中提到基于CMOS集成電路用多個晶體管構成一個神經元，而且不涉及具有學習能力的神經突觸。公開號為CN1670963A，專利技術名稱為:仿神經元突觸結構的柔性三極管的專利申請文件中提到的是僅僅模擬神經元突觸的結構，而沒有實現神經突觸的功能。
技術實現思路
針對現有技術的缺陷，本專利技術的目的在于提供一種模擬生物神經突觸的單元，旨在解決用多個元器件才能實現一個神經突觸功能的問題。本專利技術提供了一種模擬生物神經突觸的單元，包括第一電極層、與所述第一電極層連接的功能材料層，與所述功能材料層連接的第二電極層；所述第一電極層用于模擬突觸前，所述第二電極層用于模擬突觸后，所述功能材料層的材料為硫系化合物，所述功能材料層的電導用于模擬突觸權重；通過給所述第一電極層施加第一脈沖信號來模擬突觸前刺激，通過給所述第二電極層施加第二脈沖信號來模擬突觸后刺激。更進一步地，所述第一電極層用于接收外部的第一脈沖信號，所述第二電極層用于接收外部的第二脈沖信號；當所述第一脈沖信號的幅值與所述第二脈沖信號的幅值之間的差值為正或負時，所述功能材料層的電導發生改變實現了生物神經突觸的突觸權重調節功能的模擬；當所述第一脈沖信號的頻率與所述第二脈沖信號的頻率之間的差值為正或負時，所述功能材料層的電導發生改變實現了生物神經突觸的脈沖速率依賴突觸可塑性功能的模擬；當所述第一脈沖信號的幅值與所述第二脈沖信號的幅值之間的信號差峰值為正或負時，所述功能材料層的電導發生改變實現了生物神經突觸的脈沖時間依賴突觸可塑性功能的模擬。更進一步地，所述第一電極層的材料為惰性導電金屬；所述第二電極層的材料為活潑導電金屬。更進一步地，所述第一電極層、所述功能材料層和所述第二電極層構成三明治疊層結構、T型結構、I型結構或金字塔型結構。本專利技術還提供一種模擬生物神經突觸的裝置，包括多個陣列排布的神經突觸單元以及與所述神經突觸單元連接的控制器，所述神經突觸單元為上述的單元。更進一步地，所述控制器用于給所述第一電極層施加第一脈沖信號，給所述第二電極層施加第二脈沖信號，并控制所述第一脈沖信號的幅值與所述第二脈沖信號的幅值之間的差值為正或負，控制所述第一脈沖信號的頻率與所述第二脈沖信號的頻率之間的差值為正或負，控制所述第一脈沖信號的幅值與所述第二脈沖信號的幅值之間的信號差峰值為正或負。本專利技術還提供一種模擬生物神經突觸的方法，包括下述步驟:在第一電極層上施加第一脈沖信號，在第二電極層上施加第二脈沖信號；通過控制所述第一脈沖信號的幅值與所述第二脈沖信號的幅值之間的差值的正或負來調節所述功能材料層的電導的變化并模擬生物神經突觸的突觸權重調節功能；通過控制所述第一脈沖信號的頻率與所述第二脈沖信號的頻率之間的差值為正或負來調節所述功能材料層的電導的變化并模擬生物神經突觸的脈沖速率依賴突觸可塑性功能；通過控制所述第一脈沖信號的幅值與所述第二脈沖信號的幅值之間的信號差峰值為正或負來調節所述功能材料層的電導的變化并模擬生物神經突觸的脈沖時間依賴突觸可塑性功能。更進一步地，所述模擬生物神經突觸的突觸權重調節功能步驟具體為:通過控制所述第一脈沖信號的幅值與所述第二脈沖信號的幅值之間的差值為正，使得所述功能材料層的電導減小，模擬了生物神經突觸的突觸權重下降功能；通過控制所述第一脈沖信號的幅值與所述第二脈沖信號的幅值之間的差值為負，使得所述功能材料層的電導增大，模擬了生物神經突觸的突觸權重上升功能。更進一步地，所述模擬生物神經突觸的突觸權重調節功能步驟還包括:通過控制所述第一脈沖信號的幅值與所述第二脈沖信號的幅值之間的正差值的幅值增強，使得所述功能材料層的電導減小得越慢，模擬了生物神經突觸的突觸權重下降得越慢的功能；通過控制所述第一脈沖信號的幅值與所述第二脈沖信號的幅值之間的負差值的幅值增強，使得所述功能材料層的電導的增大得越快，模擬了生物神經突觸的突觸權重上升得越快的功能。更進一步地，所述模擬生物神經突觸的脈沖速率依賴突觸可塑性功能步驟包括:控制所述第一脈沖信號的頻率保持不變，通過控制所述第二脈沖信號的頻率為設定的頻率閾值，使得所述功能材料層的電導不變，模擬了生物神經突觸的突觸權重保持不變的功能；通過控制所述第二脈沖信號的頻率大于所述頻率閾值，使得所述功能材料層的電導增大，模擬了生物神經突觸的突觸權重上升的功能；通過控制所述第二脈沖信號的頻率小于所述頻率閾值，使得所述功能材料層的電導減小，模擬了生物神經突觸的突觸權重下降的功能。更進一步地，所述模擬生物神經突觸的脈沖速率依賴突觸可塑性功能步驟還包括:控制所述第二脈沖信號的頻率并使其增大，所述功能材料層的電導增大得越快，模擬了生物神經突觸的突觸權重上升得越快的功能；控制所述第二脈沖信號的頻率并使其減小，所述功能材料層的電導減小得越慢，模擬了生物神經突觸的突觸權重下降得越慢的功能。更進一步地，所述模擬生物神經突觸的脈沖時間依賴突觸可塑性功能步驟包括:控制所述第一脈沖信號與所述第二脈沖信號的時間差大于零并調整所述第一脈沖信號和所述第二脈沖信號的形狀，使得所述第一脈沖信號的幅值與所述第二脈沖信號的幅值之間的信號差峰值為負，所述功能材料層的電導增大，模擬了生物神經突觸的突觸權重增大的功能；控制所述第一脈沖信號與所述第二脈沖信號的時間差小于零并調整所述第一脈沖信號和所述第二脈沖信號的形狀，使得所述第一脈沖信號的幅值與所述第二脈沖信號的幅值之間的信號差峰值為正，所述功能材料層的電導減小，模擬了生物神經突觸的突觸權重較小的功能。更進一步地，所述模擬生物神經突觸的脈沖時間本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種模擬生物神經突觸的單元，其特征在于，包括第一電極層、與所述第一電極層連接的功能材料層，與所述功能材料層連接的第二電極層；所述第一電極層用于模擬突觸前，所述第二電極層用于模擬突觸后，所述功能材料層的材料為硫系化合物，所述功能材料層的電導用于模擬突觸權重；通過給所述第一電極層施加第一脈沖信號來模擬突觸前刺激，通過給所述第二電極層施加第二脈沖信號來模擬突觸后刺激。

【技術特征摘要】
1.一種模擬生物神經突觸的單元，其特征在于，包括第一電極層、與所述第一電極層連接的功能材料層，與所述功能材料層連接的第二電極層； 所述第一電極層用于模擬突觸前，所述第二電極層用于模擬突觸后，所述功能材料層的材料為硫系化合物，所述功能材料層的電導用于模擬突觸權重；通過給所述第一電極層施加第一脈沖信號來模擬突觸前刺激，通過給所述第二電極層施加第二脈沖信號來模擬突觸后刺激。2.如權利要求1所述的單元，其特征在于，所述第一電極層用于接收外部的第一脈沖信號，所述第二電極層用于接收外部的第二脈沖信號；當所述第一脈沖信號的幅值與所述第二脈沖信號的幅值之間的差值為正或負時，所述功能材料層的電導發生改變實現了生物神經突觸的突觸權重調節功能的模擬；當所述第一脈沖信號的頻率與所述第二脈沖信號的頻率之間的差值為正或負時，所述功能材料層的電導發生改變實現了生物神經突觸的脈沖速率依賴突觸可塑性功能的模擬；當所述第一脈沖信號與所述第二脈沖信號之間的信號差峰值為正或負時，所述功能材料層的電導發生改變實現了生物神經突觸的脈沖時間依賴突觸可塑性功能的模擬。3.如權利要求1所述的單元，其特征在于，所述第一電極層的材料為惰性導電金屬；所述第二電極層的材料為活潑導電金屬。4.如權利要求1所述的單元，其特征在于，所述第一電極層、所述功能材料層和所述第二電極層構成三明治疊層結構、T型結構、I型結構或金字塔型結構。5.一種模擬生物神經突觸的裝置，包括多個陣列排布的神經突觸單元以及與所述神經突觸單元連接的控制器，其特征在于，所述神經突觸單元為權利要求1-4任一項所述的單元6.如權利要求5所述的裝置，其特征在于，所述控制器用于給所述第一電極層施加第一脈沖信號，給所述第二電極層施加第二脈沖信號，并控制所述第一脈沖信號的幅值與所述第二脈沖信號的幅值之間的差值為正或負，控制所述第一脈沖信號的頻率與所述第二脈沖信號的頻率之間的差值為正或負，控制所述第一脈沖信號的幅值與所述第二脈沖信號的幅值之間的信號差峰值為正或負。7.一種模擬生物神經突觸的方法，其特征在于，包括下述步驟: 在第一電極層上施加第一脈沖信號，在第二電極層上施加第二脈沖信號； 通過控制所述第一脈沖信號的幅值與所述第二脈沖信號的幅值之間的差值的正或負來調節所述功能材料層的電導的變化并模擬生物神經突觸的突觸權重調節功能； 通過控制所述第一脈沖信號的頻率與所述第二脈沖信號的頻率之間的差值為正或負來調節所述功能材料層的電導的變化并模擬生物神經突觸的脈沖速率依賴突觸可塑性功倉泛; 通過控制所述第一脈沖信號的幅值與所述第二脈沖信號的幅值之間的信號差峰值為正或負來調節所述功能材料層的電導的變化并模擬生物神經突觸的脈沖時間依賴突觸可塑性功能。8.如權利要求7所述的方法，其特征在于，所述模擬生物神經突觸的突觸權重調節功能步驟具體為: 通過控制所述第一脈沖信號的幅值與所述第二脈沖信號的幅值之間的差值為正，使得所述功能材料層的電導減小，模擬了生物神經突觸的突觸權重下降功能； 通過控制所述第一脈沖信號的幅值與所述第二脈沖信號的幅值之間的差值為負，使得所述功能材料層的電導增大，模擬了生物神經突觸的突觸權重上升功能。9.如權利要求8所述的方法，其特征在于，所述模擬生物神經突觸的突觸權重調節功能步驟還包括: 通過控制所述第一脈沖信號的幅值與所述第二脈沖信號的幅值之間的正差值的幅值增強，使得所述功能材料層的電導減小得越慢，模擬了生物神經突觸的突觸權重下降得越慢的功能； 通過控制所述第一脈沖信號的幅值與所述第二脈沖信號的幅值之間的負差值的幅值增強，使得所述功能材料層的電導的增大得越快，模擬了生物神經突觸的突觸權重上升得越快的功能。10.如權利要求7所述的方法，其特征在于，所述模擬生物神經突觸的脈沖速率依賴突觸可塑性功能步驟包括: 控制所述第一脈沖信號的頻率保持不變，通過控制所述第二脈沖...

【專利技術屬性】
技術研發人員：繆向水，李祎，鐘應鵬，許磊，孫華軍，
申請(專利權)人：華中科技大學，
類型：發明
國別省市：