2024年11月5日，《Advanced Functional Materials》在線(xiàn)刊發(fā)了華中科技大學(xué)孫華軍/繆向水教授團(tuán)隊(duì)高逼真模擬神經(jīng)突觸傳遞信息動(dòng)力學(xué)過(guò)程的神經(jīng)形態(tài)器件最新研究成果“Bio-Realistic Synaptic-Replicated “V” Type Oxygen Vacancy Memristor”，博士生鄒嵐清為第一作者。神經(jīng)形態(tài)器件旨在模仿生物大腦的處理方式以實(shí)現(xiàn)更高效的計(jì)算?，F(xiàn)有的神經(jīng)形態(tài)器件與真實(shí)的生物突觸相比，在物理結(jié)構(gòu)和性能上存在顯著差異。生物突觸具有極高的能效比，高效的信息傳遞和處理。目前的人工突觸器件通常為簡(jiǎn)化模型，無(wú)法完全復(fù)制這種復(fù)雜性。而目前的人工器件往往需要更多的能量來(lái)驅(qū)動(dòng)，并且可能面臨穩(wěn)定性、耐久性和可重復(fù)性的問(wèn)題。

在生物學(xué)中，Ca2+信號(hào)作為神經(jīng)活動(dòng)的一個(gè)指標(biāo)，在神經(jīng)元定向生長(zhǎng)、突觸可塑性、學(xué)習(xí)和記憶中起著重要作用。當(dāng)突觸前膜去極化到一定水平，突觸前膜上的電壓門(mén)控Ca2+通道會(huì)為Ca2+內(nèi)流打開(kāi)，因此，神經(jīng)遞質(zhì)被釋放，與突觸后膜上的受體接觸，促進(jìn)信息傳遞。在這種情況下，神經(jīng)遞質(zhì)的釋放與進(jìn)入突觸前膜的Ca2+數(shù)量呈正相關(guān)。基于此，從生物突觸傳遞信息過(guò)程出發(fā)，集成電路學(xué)院孫華軍、繆向水團(tuán)隊(duì)通過(guò)簡(jiǎn)單的制備工藝，設(shè)計(jì)了具有“V”型Vo分布的多層HfOx憶阻器。該器件不僅高逼真的模擬了突觸結(jié)構(gòu)，而且實(shí)現(xiàn)了對(duì)生物Ca2+通路的調(diào)控，實(shí)現(xiàn)神經(jīng)遞質(zhì)的生物逼真模擬。具體的，通過(guò)調(diào)整施加在器件上的電壓或限制電流改變電阻值，從而調(diào)節(jié)Ca2+通道的開(kāi)關(guān)程度，實(shí)現(xiàn)不同程度的通道開(kāi)閉和信息傳輸。此外，使用Ca2+通道的數(shù)學(xué)模型擬合了器件的電學(xué)特性，揭示了器件能夠有效模擬Ca2+通道的開(kāi)閉過(guò)程，形成的“沙漏”型導(dǎo)電細(xì)絲通路，實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)電細(xì)絲通斷位置的定型和定位。V型功能層中近化學(xué)計(jì)量比HfOx中間層的門(mén)控效應(yīng)和節(jié)流效應(yīng)提高阻值變化的多值性、連續(xù)性和一致性。該器件具有超低擦除功耗（fJ）、好的低電阻值一致性（1.8%），并且也實(shí)現(xiàn)了對(duì)生物免疫過(guò)程的模擬。該研究題為“Bio-realistic synaptic-replicated "V" type oxygen vacancy memristor”，發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上。

CMOS兼容的HfOx高k介質(zhì)的氧空位缺陷可調(diào)控性強(qiáng)，通過(guò)調(diào)控鍍膜過(guò)程中的氧氬比，得出HfOx薄膜中氧濃度隨著氬氧比的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)?；诖?，在功能層的制備中，對(duì)氧濃度進(jìn)行調(diào)控，使薄膜中氧濃度先增大后減小。如圖1所示，對(duì)于制備好的器件，通過(guò)XPS和TEM對(duì)器件功能層的分析可以驗(yàn)證制備的多層HfOx憶阻器實(shí)現(xiàn)了氧空位沙漏型分布，即薄膜中氧空位數(shù)對(duì)稱(chēng)的先減小后增大，在施加電壓時(shí)，器件的導(dǎo)電細(xì)絲通路會(huì)在中間薄弱層實(shí)現(xiàn)斷裂和復(fù)合。對(duì)器件進(jìn)行循環(huán)測(cè)試，器件實(shí)現(xiàn)了好的高低阻值循環(huán)特性，特別是器件低阻的差異系數(shù)僅為1.8%，隨機(jī)選取多個(gè)器件單元進(jìn)行測(cè)試，器件可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的阻值循環(huán)一致性。

圖1 器件結(jié)構(gòu)圖、XPS及TEM證明氧空位“V”型分布圖和器件性能圖

在容易受到刺激的細(xì)胞中，如神經(jīng)元、肌肉和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞，電壓門(mén)控Ca2+通道的打開(kāi)和關(guān)閉是由膜電位調(diào)節(jié)的。當(dāng)細(xì)胞處于靜息電位時(shí)，通道保持關(guān)閉。然而，當(dāng)膜去極化時(shí)，通道打開(kāi)，允許Ca2+進(jìn)入細(xì)胞。電壓門(mén)控Ca2+通道的激活電壓受多種因素的影響，包括細(xì)胞膜電壓的變化和細(xì)胞內(nèi)外離子濃度的變化。Ca2+通道的激活電壓可以通過(guò)細(xì)胞內(nèi)外Ca2+濃度的變化來(lái)控制。例如，較高的細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度可以促進(jìn)通道激活。這說(shuō)明離子通道是調(diào)節(jié)離子滲透性的通道?；谶@種理解，使用電壓控制Ca2+通道的數(shù)學(xué)模型，如式（1）所示。

對(duì)于器件，我們可以通過(guò)調(diào)節(jié)電壓或Icc來(lái)調(diào)節(jié)電阻值，從而調(diào)節(jié)Ca2+通道的開(kāi)關(guān)程度，促進(jìn)不同程度的通道打開(kāi)和關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)不同程度的信息傳輸，實(shí)現(xiàn)對(duì)生物突觸細(xì)胞膜的電壓波動(dòng)或細(xì)胞內(nèi)外的Ca2+濃度的模擬。并且使用Ca2+通道的數(shù)學(xué)模型來(lái)擬合該器件的電學(xué)特性，揭示該器件有效地模擬Ca2+通道的打開(kāi)和關(guān)閉過(guò)程，實(shí)現(xiàn)量化可控的“沙漏”型的導(dǎo)電細(xì)絲通路。

圖2 器件實(shí)現(xiàn)電壓門(mén)控Ca2+通道的打開(kāi)和關(guān)閉圖和器件性能表現(xiàn)圖

神經(jīng)元的突觸可塑性通常被認(rèn)為是大腦學(xué)習(xí)和記憶的分子和細(xì)胞機(jī)制。當(dāng)這種變化只持續(xù)幾十毫秒到幾分鐘時(shí)，它被稱(chēng)為短時(shí)記憶。當(dāng)這種變化持續(xù)幾分鐘甚至終身時(shí)，它被稱(chēng)為長(zhǎng)時(shí)記憶。器件可以實(shí)現(xiàn)對(duì)短時(shí)記憶和長(zhǎng)時(shí)記憶的模擬。由于器件沙漏型導(dǎo)電細(xì)絲通路的分布，當(dāng)施加小脈沖刺激時(shí)，電阻值發(fā)生變化，會(huì)形成弱的導(dǎo)電細(xì)絲通路，一旦消除電壓刺激，中間層的氧空位容易擴(kuò)散，導(dǎo)致導(dǎo)電細(xì)絲通路的斷裂，實(shí)現(xiàn)短時(shí)程可塑性。當(dāng)對(duì)器件施加連續(xù)或者強(qiáng)的脈沖刺激時(shí)，會(huì)形成強(qiáng)的導(dǎo)電細(xì)絲通路，在撤去電壓刺激之后，阻值維持穩(wěn)定，即實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)時(shí)程可塑性。如圖3所示，器件實(shí)現(xiàn)了脈沖幅值依賴(lài)可塑性（spike-voltage- dependent Plasticity, SVDP）、雙脈沖易化（paired-pulse facilitation, PPF）、脈沖時(shí)間依賴(lài)可塑性（spike-timing-dependent plasticity, STDP）等的生物突觸功能。

圖3 器件實(shí)現(xiàn)短時(shí)可塑性和長(zhǎng)時(shí)可塑性圖

器件可以通過(guò)興奮性和抑制性刺激來(lái)模擬生物免疫功能。免疫細(xì)胞具有記憶和識(shí)別先前遇到的病原體的能力，一旦超過(guò)特定閾值，淋巴細(xì)胞被激活并產(chǎn)生必要的抗體來(lái)中和抗原。如圖4所示，我們分別在1 MHz， 2 MHz和2.5 MHz頻率下施加50個(gè)脈沖。可以觀(guān)察到，隨著頻率的增加，器件的響應(yīng)速度也隨之增加。當(dāng)施加1 MHz和2 MHz的脈沖時(shí)，當(dāng)脈沖累積到一定數(shù)量時(shí)，器件才會(huì)響應(yīng)，這表明當(dāng)外部病毒達(dá)到足以引起免疫系統(tǒng)注意的數(shù)量時(shí)，即達(dá)到淋巴細(xì)胞激活的閾值，才可以引起免疫反應(yīng)。另一方面，當(dāng)施加2.5 MHz的脈沖時(shí)，器件會(huì)立即響應(yīng)，這表明不同病毒的感染能力不同，頻率越高表明感染能力越強(qiáng)，從而更快地達(dá)到淋巴細(xì)胞激活閾值并觸發(fā)免疫反應(yīng)?；诖?，器件也實(shí)現(xiàn)了對(duì)生物第一次免疫和二次免疫的模擬。

圖4 器件實(shí)現(xiàn)免疫功能圖

總結(jié)：作者制備了一種具有“V”型氧空位分布的多層HfOx憶阻器，可以準(zhǔn)確地復(fù)制生物系統(tǒng)中的突觸結(jié)構(gòu)，神經(jīng)遞質(zhì)動(dòng)力學(xué)和信息傳遞的過(guò)程，器件能夠模擬門(mén)控Ca2+通道的功能實(shí)現(xiàn)不同程度的信息傳遞。并且建立了Ca2+通道的數(shù)學(xué)模型用來(lái)驗(yàn)證其性能，證明該憶阻器件以類(lèi)似于生物突觸的方式工作。此外，它成功地模擬了生物突觸在短時(shí)程可塑性和長(zhǎng)時(shí)程可塑性時(shí)Ca2+的動(dòng)力學(xué)，展示了一系列突觸行為，這種憶阻器具有模擬生物免疫反應(yīng)的潛力，性能上器件具有低的功耗和好的一致性，該憶阻器為基于突觸裝置的人工神經(jīng)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)提供了新的思路。