突觸晶體管及其神經(jīng)形態(tài)系統(tǒng)應(yīng)用

姜珊珊 聶莎 何勇禮 劉銳 萬青

摘 ?要： 生物大腦的并行計(jì)算性能以及突觸對生物計(jì)算的重要性啟發(fā)了人們使用具有突觸功能的電子器件來構(gòu)建神經(jīng)形態(tài)計(jì)算系統(tǒng)和實(shí)現(xiàn)超低功耗類腦計(jì)算。基于可移動離子界面調(diào)控的雙電層薄膜晶體管（EDL TFTs），在神經(jīng)形態(tài)電子學(xué)領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景。該文回顧EDL TFTs在人造突觸和神經(jīng)形態(tài)計(jì)算方面的最近進(jìn)展并總結(jié)該領(lǐng)域的挑戰(zhàn)及機(jī)遇。

關(guān)鍵詞： 突觸晶體管; 神經(jīng)形態(tài)應(yīng)用; 類腦計(jì)算; 雙電層晶體管; 人造突觸; 進(jìn)展回顧

中圖分類號： TN322?34; TP301.6 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）20?0181?06

Application of synaptic transistors and neuromorphic system

JIANG Shanshan， NIE Sha， HE Yongli， LIU Rui， WAN Qing

（School of Electronic Science & Engineering， Nanjing University， Nanjing 210093， China）

Abstract： The parallel computing performance of biological brain and the importance of synapses to biological computing inspire people to use electronic devices with synaptic function to construct neuromorphic computing system and realize brain?like computation with ultra?low power dissipation. The electric?double?layer thin?film transistors （EDL TFTs） based on mobile ion interfacial modulation have great application prospect in field of neuromorphic electronics. The recent progress of EDL TFTs in artificial synapses and neuromorphic computing is reviewed， and the challenges and opportunities in this field are summarized in this paper.

Keywords： synaptic transistor; neuromorphic system application; brain?like computation; EDL TFTs; artificial synapse; progress review

0 ?引 ?言

神經(jīng)計(jì)算憑借其大規(guī)模并行、高度互聯(lián)的神經(jīng)回路和極高的容錯率、穩(wěn)健性、自主學(xué)習(xí)能力和超低功耗，在模式識別和決策判斷等復(fù)雜問題處理領(lǐng)域超越了傳統(tǒng)馮·諾依曼架構(gòu)的串行處理[1]。人類大腦的學(xué)習(xí)是通過突觸連接的短程和長程的增強(qiáng)和減弱來實(shí)現(xiàn)的，每個神經(jīng)元與多達(dá)104個其他神經(jīng)元相互連接。這種連接強(qiáng)度可以通過神經(jīng)活動來改變，被稱為突觸可塑性（Synapse Plasticity）[2]。受神經(jīng)系統(tǒng)工作模式啟發(fā)，早期科學(xué)家通過軟件途徑來實(shí)現(xiàn)人腦級別的實(shí)時仿生，其所需硬件資源和能源消耗過大[3]。硬件方面，采用成熟的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）電路來開展突觸和神經(jīng)元功能的仿生，需要多個晶體管來仿生一個突觸，較大的突觸尺寸無法設(shè)計(jì)出與大腦尺寸相當(dāng)?shù)拇笠?guī)模并行系統(tǒng)。因此，在架構(gòu)層面上尋找合適的材料或器件結(jié)構(gòu)以使用更少的電子器件來仿生神經(jīng)元和突觸尤為重要。雙電層薄膜晶體管（EDL TFTs）又稱電解質(zhì)柵晶體管，其柵介質(zhì)中富含的可移動離子在電場作用下和溝道中的電子或空穴在電解質(zhì)/溝道界面處形成致密的雙電層，賦予柵介質(zhì)巨大的比電容使得該類器件能在低電壓下工作，極大減少了器件能耗[4?5]。具有多個輸入端的EDL TFT可用于具有多個突觸連接的生物神經(jīng)元的仿生。EDL TFTs的溝道電導(dǎo)可因雙電層靜電調(diào)控和電化學(xué)摻雜/脫摻雜機(jī)理而分別產(chǎn)生易失性和非易失性變化，這些性質(zhì)被證明非常適合于突觸短程和長程行為的仿生。本文回顧EDL TFTs在突觸仿生和神經(jīng)形態(tài)計(jì)算方面的最新進(jìn)展并總結(jié)該領(lǐng)域的挑戰(zhàn)及機(jī)遇。

1 ?基于雙電層晶體管的突觸仿生應(yīng)用

由于突觸是學(xué)習(xí)和記憶的最基本單元，因此使用電子器件仿生突觸行為，特別是突觸塑性，是實(shí)現(xiàn)神經(jīng)形態(tài)計(jì)算的關(guān)鍵步驟。

1.1 ?突觸短時程行為的仿生

1.1.1 ?EPSC和IPSC的仿生

突觸傳遞是一個復(fù)雜的傳輸過程。首先突觸前神經(jīng)元軸突末端產(chǎn)生的動作電位開啟電壓控制的鈣離子通道，鈣離子在神經(jīng)元內(nèi)擴(kuò)散，遷移的鈣離子觸發(fā)突觸囊泡并向突觸中放出神經(jīng)遞質(zhì)， 隨后與突觸后膜上特定的離子通道受體結(jié)合。如圖1所示，由于正離子（Na+）進(jìn)入導(dǎo)致的突觸后神經(jīng)元興奮性電流，稱為興奮性突觸后電流（Excitatory Post?Synaptic Current， EPSC）[6]。由于負(fù)離子（Cl-）進(jìn)入導(dǎo)致的突觸后神經(jīng)元抑制性電流，稱為抑制性突觸后電流（Inhibitory Post?Synaptic Current，IPSC）。

圖1 ?EPSC和IPSC離子環(huán)境示意圖

EPSC和IPSC是大腦進(jìn)行復(fù)雜計(jì)算背后的最基本的信息流動和處理的過程。2016年浦項(xiàng)科技大學(xué)的Xu等研究者報(bào)道了使用一種核鞘結(jié)構(gòu)有機(jī)納米線（Organic Nanowire，ONW）突觸晶體管仿生了EPSC和IPSC[7]。這種有機(jī)納米線類似于人類大腦的神經(jīng)纖維。該ONW突觸晶體管由導(dǎo)電探針、離子凝膠、有機(jī)納米線和兩個金屬電極組成，如圖2a）所示。通過在探針上施加突觸前脈沖，在源漏電極之間加恒定的讀取電壓，讀取的溝道電流即是EPSC/IPSC。在施加電壓脈沖之前，離子凝膠中的陰離子和陽離子隨機(jī)分布。當(dāng)在ONW突觸晶體管的柵極上施加負(fù)突觸前電壓脈沖時，可以在幾毫秒的時間尺度上觸發(fā)陰離子流，這些聚集的陰離子將通過靜電耦合效應(yīng)誘導(dǎo)ONW溝道中的空穴，結(jié)果導(dǎo)致溝道電流的增加，形成EPSC，如圖2a）所示。當(dāng)脈沖結(jié)束后，溝道與電解質(zhì)界面附近的陰離子將因?yàn)闈舛忍荻榷蜻h(yuǎn)離該界面的方向擴(kuò)散，最終達(dá)到平衡態(tài)，而這一過程也將使得溝道電流不斷下降直至穩(wěn)定。當(dāng)在柵極施加正突觸前電壓脈沖時，陽離子從電解質(zhì)注入到OWN溝道層，導(dǎo)致溝道層脫摻雜，因此溝道電流降低，形成IPSC，如圖2b）所示。當(dāng)脈沖結(jié)束后，注入的陽離子從溝道層擴(kuò)散到電解質(zhì)層，溝道層可逆地?fù)诫s到其初始狀態(tài)。該ONW ST單次脈沖的平均能量消耗為1.23 fJ， 與生物突觸功耗相當(dāng)。

圖2 ?EPSC和IPSC行為的仿生

1.1.2 ?PPF和PPD的仿生

雙脈沖易化（Paired Pulse Facilication，PPF）現(xiàn)象是短程突觸可塑性的一種常見表現(xiàn)形式，是神經(jīng)系統(tǒng)處理聲音和圖像等具有時序的信息的關(guān)鍵。 2017年Feng等研究者在以聚合物電解質(zhì)為柵介質(zhì)的單壁碳納米管（Single?Walled Carbon Nanotube，SWCNT）雙電層突觸器件上仿生PPF行為[8]。圖3a）是一對時間間隔為10 ms的突觸前脈沖電壓所觸發(fā)的EPSC，易化率A2/A1為304% 。EPSC在第一個脈沖刺激結(jié)束后第二個刺激來臨之前會不斷衰減直至電解質(zhì)中質(zhì)子恢復(fù)到平衡位置。如果第二個刺激在殘余質(zhì)子全部恢復(fù)之前觸發(fā)的話，這部分殘余的質(zhì)子將會疊加到第二個刺激所能激發(fā)的質(zhì)子中去，這樣使得第二個刺激激發(fā)的EPSC 幅度增加。這是PPF仿生的可能機(jī)制。圖3b）是不同脈沖寬度下，PPF易化率關(guān)于脈沖時間間隔的變化趨勢圖。當(dāng)時間間隔最小時雙脈沖易化系數(shù)最大，隨著時間間隔增大雙脈沖易化系數(shù)相應(yīng)減小，最終趨向于100%，即后一個EPSC與前一個大小相同，雙脈沖易化現(xiàn)象消失。由于時間間隔越短，電解質(zhì)/溝道界面附近殘留的質(zhì)子越多，PPF比率就越大。

雙脈沖抑制（Paired Pulse Depression，PPD）現(xiàn)象是短程抑制的常見表現(xiàn)形式。在神經(jīng)系統(tǒng)中，突觸疲勞或短程突觸抑制被認(rèn)為是神經(jīng)系統(tǒng)中的一種負(fù)反饋，通常歸因于容易釋放的囊泡的耗竭[9]。突觸抑制在處理感知適應(yīng)、聲音定位以及提高信息傳遞效率方面具有重要作用[10]?；诩{米磷酸鹽玻璃（Phosphorous Silicate Glass，PSG）柵控的抑制性雙電層突觸晶體管仿生了PPD行為[11]。如圖3c）所示，前突觸脈沖施加在漏極上，相應(yīng)的溝道電流視為突觸后電流（Postsynaptic Current，PSC）。L，M，N代表不同溝道厚度的晶體管，這里僅關(guān)注N晶體管的PPD行為。插圖是在晶體管的漏極上施加時間間隔為20 ms的兩個連續(xù)電壓脈沖所引起的PSC響應(yīng)。第二個PSC響應(yīng)低于第一個PSC響應(yīng)表明晶體管的PPD行為。PPD指數(shù)定義為A2/A1×100%。圖3d）為PPD指數(shù)和脈沖時間間隔[Δt]的關(guān)系圖，PPD指數(shù)隨脈沖時間間隔增加從86%增加到100%。

圖3 ?PPF和PPD的仿生結(jié)果

1.1.3 ?濾波特性仿生

突觸動力學(xué)的一個重要意義是突觸可以作為一個具有廣泛特性的過濾器。神經(jīng)系統(tǒng)中，具有短程雙脈沖易化/抑制特性的突觸在接收到一列連續(xù)的電位脈沖信號輸入時，會在信息傳遞中根據(jù)信號的頻率表現(xiàn)出高通/低通動態(tài)濾波器的特性。更為高頻/低頻的信號會短時間內(nèi)更大幅度地增強(qiáng)突觸權(quán)重，產(chǎn)生更強(qiáng)的輸出信號。John等研究者在以離子凝膠為柵介質(zhì)的銦鎢氧化物（Indium Tungsten Oxide，IWO）雙電層晶體管中實(shí)現(xiàn)了高通濾波特性仿生[12]，如圖4a）所示。上文中仿生PPD行為的PSG柵控銦錫氧化物（Indium Tin Oxide， ITO）抑制性突觸晶體管仿生了突觸低通濾波器特性，如圖4b）所示。

圖4 ?高通濾波特性和低通濾波特性仿生