在并行性、連續(xù)性、低功耗的智能計(jì)算架構(gòu)的需求背景下，基于模擬生物突觸的仿生神經(jīng)形態(tài)器件有望實(shí)現(xiàn)類腦信息處理范式，逐漸成為眾多研究者關(guān)注的熱點(diǎn)領(lǐng)域。納流體憶阻器利用水相環(huán)境的離子作為載流子，具有表面性質(zhì)可調(diào)、生物兼容性好等優(yōu)點(diǎn)，在神經(jīng)形態(tài)突觸應(yīng)用及腦機(jī)接口等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。但是，現(xiàn)有納流體憶阻器通道長(zhǎng)度基本在微米尺寸，存在著輸運(yùn)效率低、能耗大及難以規(guī)?；庸さ葐?wèn)題，且無(wú)法從結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)對(duì)（亞）納米長(zhǎng)離子通道的精準(zhǔn)仿生設(shè)計(jì)，器件設(shè)計(jì)方面的不成熟制約了納流體憶阻器更深層次的發(fā)展及應(yīng)用。原子級(jí)厚度的石墨烯等二維材料具備優(yōu)異的穩(wěn)定性和加工簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，為基于納流體憶阻器的神經(jīng)形態(tài)應(yīng)用研究提供了嶄新平臺(tái)。

圖1 基于二維材料固態(tài)納米孔的仿生納流體憶阻器設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

針對(duì)納流體憶阻器件及神經(jīng)形態(tài)應(yīng)用現(xiàn)存的挑戰(zhàn)，北京大學(xué)集成電路學(xué)院王路達(dá)課題組借助微米納米加工技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)，通過(guò)精確加工特定電導(dǎo)的二維材料固態(tài)納米孔結(jié)構(gòu)，創(chuàng)新發(fā)展了一種新型仿生納流體憶阻器件（如圖1）。本研究基于不同價(jià)態(tài)載流子的靜電作用有效地實(shí)現(xiàn)了對(duì)器件滯回曲線和電導(dǎo)開(kāi)關(guān)比的調(diào)控，并結(jié)合理論模擬明晰了納米孔結(jié)構(gòu)的表面電荷及離子動(dòng)力學(xué)過(guò)程對(duì)納流體憶阻器的影響機(jī)制。進(jìn)一步基于器件的電導(dǎo)態(tài)累積效應(yīng)和非易失記憶特性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)突觸可塑性和類腦學(xué)習(xí)功能的模擬，在毫秒量級(jí)脈沖寬度下實(shí)現(xiàn)了每脈沖約0.546 pJ的能耗，優(yōu)于當(dāng)前報(bào)道的最先進(jìn)的納流體憶阻器件。

該研究利用埃米長(zhǎng)限域空間內(nèi)離子的動(dòng)力學(xué)輸運(yùn)構(gòu)建了納流體憶阻器件，不僅有助于解決納流體神經(jīng)形態(tài)應(yīng)用在器件層面的瓶頸問(wèn)題，而且助力于深入理解大腦神經(jīng)活動(dòng)的機(jī)理，為實(shí)現(xiàn)類腦人工智能提供了新的思路。相關(guān)成果以“Nanofluidic Memristive Transition and Synaptic Emulation in Atomically Thin Pores”為題，發(fā)表在《Nano Letters》上（https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.4c06297）。北京大學(xué)集成電路學(xué)院2020級(jí)博士研究生宋瑞洋、2023級(jí)博士研究生王鵬為共同第一作者，王路達(dá)研究員為通訊作者。以上研究工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目支持。