近日，哈工大深圳校區(qū)材料科學(xué)與工程學(xué)院徐成彥教授、集成電路學(xué)院秦敬凱副教授團(tuán)隊(duì)在低功耗離子型憶阻器件技術(shù)及系統(tǒng)集成應(yīng)用領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，相關(guān)成果以《具有取向選擇性的準(zhǔn)一維硒化鈮晶體神經(jīng)形態(tài)憶阻器件及方位識(shí)別應(yīng)用》（Orientation-selective memory switching in quasi-one-dimensional NbSe3 neuromorphic device for omnibearing motion detection）為題發(fā)表于材料科學(xué)領(lǐng)域頂級(jí)期刊《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）。該研究利用預(yù)鋰化的硒化鈮晶體作為平面憶阻器的電阻開關(guān)通道，實(shí)現(xiàn)了極低變異性的非易失性存儲(chǔ)以及晶向相關(guān)的各向異性存內(nèi)電導(dǎo)調(diào)制，并集成硬件系統(tǒng)，可用于自動(dòng)駕駛場(chǎng)景中的全方位運(yùn)動(dòng)識(shí)別。

類腦神經(jīng)形態(tài)器件將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理功能集成于一個(gè)單元中，能夠滿足物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代對(duì)邊緣計(jì)算硬件海量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理能效的需求。作為非易失性存儲(chǔ)器的重要代表，憶阻器通過(guò)調(diào)節(jié)離子或缺陷的遷移動(dòng)力學(xué)，如離子源定位和導(dǎo)電路徑控制，在內(nèi)存計(jì)算中能夠?qū)崿F(xiàn)多級(jí)電阻狀態(tài)的可重復(fù)切換。憶阻器以其高存儲(chǔ)密度和低功耗優(yōu)勢(shì)，成為人工智能芯片的理想構(gòu)建單元。然而，目前最先進(jìn)的憶阻器通常采用垂直集成、雙端子交叉結(jié)構(gòu)，這一設(shè)計(jì)限制了硬件在處理復(fù)雜邊緣計(jì)算場(chǎng)景中時(shí)空維度信息的能力。低維范德華晶體被認(rèn)為是制造平面憶阻器的理想候選材料，其層間間隙為離子遷移或?qū)щ娊z形成提供了高度受限的空間，有利于實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健電阻態(tài)調(diào)制。利用低對(duì)稱性范德華晶體中離子遷移能壘的差異，可以進(jìn)一步在緊湊設(shè)計(jì)的憶阻器中實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)的各向異性調(diào)制，有望進(jìn)一步簡(jiǎn)化面向智能場(chǎng)景應(yīng)用中的邊緣計(jì)算硬件。

基于此，研究團(tuán)隊(duì)展示了一種基于預(yù)鋰化準(zhǔn)一維硒化鈮（NbSe3）晶體的平面各向異性電阻存儲(chǔ)開關(guān)單元。得益于準(zhǔn)一維范德華晶體結(jié)構(gòu)帶來(lái)的高度對(duì)齊擴(kuò)散通道，沿NbSe3原子鏈方向制造的憶阻器展現(xiàn)出優(yōu)異的存儲(chǔ)開關(guān)行為和卓越的穩(wěn)定性，尤其是低置位/復(fù)位電壓（0.4 V/?0.36 V）和極小標(biāo)準(zhǔn)偏差（0.041 V/0.051 V）。與傳統(tǒng)電阻開關(guān)材料不同，NbSe3晶體中的各向異性離子遷移使電導(dǎo)更新具有顯著的取向選擇性，表現(xiàn)出與晶體取向相關(guān)的模擬型及數(shù)字型阻變調(diào)制特性?；谄矫鎽涀杵骷ㄖ圃O(shè)計(jì)集成的神經(jīng)形態(tài)硬件成功實(shí)現(xiàn)了面向自動(dòng)駕駛應(yīng)用的高準(zhǔn)確率（~95.9%）全方位運(yùn)動(dòng)識(shí)別。這一研究成果為面向邊緣計(jì)算應(yīng)用的智能神經(jīng)形態(tài)硬件發(fā)展提供了全新的思路，具有廣泛的應(yīng)用前景。

該論文第一完成單位為哈工大深圳校區(qū)。哈工大深圳校區(qū)秦敬凱、徐成彥和南方科技大學(xué)周菲遲為論文通訊作者。哈工大深圳校區(qū)博士研究生孫若瑤、南方科技大學(xué)碩士研究生侯澤宇、哈工大深圳校區(qū)助理研究員陳青為論文共同第一作者。該研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、深圳市科技計(jì)劃等項(xiàng)目支持。

預(yù)鋰化NbSe3平面各向異性憶阻器件及應(yīng)用

（a）預(yù)鋰化 NbSe3 多端憶阻器的取向選擇性記憶切換；（b）功能單元的電路圖，包括電源模塊、光電探測(cè)器模塊、比較器模塊、加法器模塊和各向異性憶阻器；（c）前照燈在0°配置下穿過(guò)單元時(shí)的電流響應(yīng)模式；（d）平行排列的三個(gè)預(yù)鋰化 NbSe3多端憶阻器光學(xué)顯微鏡圖像；（e）陶瓷四方扁平無(wú)引線 (CQFN) 載體的圖片，其中已經(jīng)封裝了多端憶阻器陣列；（f）集成光電探測(cè)器、信號(hào)處理電路和憶阻器陣列的定制 PCB 線路板；（g）前照燈在??=15° 配置下穿過(guò)集成模塊時(shí)的示意圖，在這種情況下，所有八個(gè)光電探測(cè)器都會(huì)依次激活；（h）運(yùn)動(dòng)方向識(shí)別神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的圖示，識(shí)別準(zhǔn)確率隨訓(xùn)練時(shí)期的演變以及識(shí)別方向和正確運(yùn)動(dòng)方向之間的混淆矩陣。