近日，中國(guó)科大石媛媛教授團(tuán)隊(duì)在類腦智能神經(jīng)形態(tài)器件領(lǐng)域取得新進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地研制出具有雙弛豫時(shí)間尺度特性的電解質(zhì)柵WSe?薄膜晶體管用于物理儲(chǔ)備池計(jì)算，成功解決了傳統(tǒng)動(dòng)態(tài)憶阻器在時(shí)序信號(hào)處理中時(shí)間特征尺度單一的瓶頸問題。相關(guān)成果以" Dynamic Monolayer WSe? Electrolyte-Gated Transistor with Coexistent Double Relaxation Timescale for Enhanced Physical Reservoir Computing"為題發(fā)表于國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊《Small》。

物理儲(chǔ)備池計(jì)算因其低訓(xùn)練復(fù)雜度優(yōu)勢(shì)，在邊緣計(jì)算、交通預(yù)測(cè)等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。傳統(tǒng)基于動(dòng)態(tài)憶阻器的儲(chǔ)備池系統(tǒng)受限于載流子動(dòng)力學(xué)的單一弛豫時(shí)間尺度（Single Relaxation Timescale, SRT），在處理多尺度時(shí)序任務(wù)時(shí)存在記憶容量有限、特征提取能力不足等缺陷（圖1a-b）。研究團(tuán)隊(duì)受生物神經(jīng)元中鈣離子多時(shí)間尺度動(dòng)力學(xué)機(jī)制啟發(fā)（圖1c-d），通過單層二維材料與聚合物電解質(zhì)的強(qiáng)離子-電子耦合效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了快/慢雙弛豫時(shí)間尺度（Double Relaxation Timescale, DRT）兼具的動(dòng)態(tài)記憶器件（圖1e）。這種獨(dú)特的離子-電子耦合機(jī)制使器件展現(xiàn)出亞秒級(jí)和秒級(jí)的雙指數(shù)弛豫特性，相較于傳統(tǒng)SRT器件，顯著提升了儲(chǔ)備池的狀態(tài)空間維度（圖1f）。

圖1. 基于SRT和DRT器件的物理儲(chǔ)備池計(jì)算系統(tǒng)示意圖。a) 基于SRT器件的經(jīng)典物理儲(chǔ)備池計(jì)算框架。b) SRT動(dòng)態(tài)憶阻器的典型弛豫行為。c) 生物神經(jīng)元中發(fā)放脈沖時(shí)鈣離子分布示意圖。d) 神經(jīng)元不同部位在發(fā)放脈沖時(shí)的鈣離子濃度變化。e) DRT器件的典型弛豫行為。f) 基于DRT器件的新型物理儲(chǔ)備池計(jì)算框架。

在器件性能方面，研究團(tuán)隊(duì)通過系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用仿真證實(shí)，該DRT WSe? 晶體管不僅保持了傳統(tǒng)動(dòng)態(tài)憶阻器的低功耗優(yōu)勢(shì)，更在復(fù)雜時(shí)序任務(wù)處理上展現(xiàn)出卓越性能。在混沌時(shí)間序列預(yù)測(cè)任務(wù)中，器件實(shí)現(xiàn)了200步以上的長(zhǎng)程預(yù)測(cè)能力，以及在多尺度振蕩器任務(wù)中取得了5.05×10??的超低預(yù)測(cè)均方誤差。特別是在實(shí)際交通場(chǎng)景應(yīng)用中，基于無人機(jī)拍攝的真實(shí)交通數(shù)據(jù)（圖2a-c），該技術(shù)能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)車輛和行人的運(yùn)動(dòng)軌跡，位置誤差小于0.8米（圖2 d-i），為智能交通碰撞預(yù)警系統(tǒng)提供了可靠的技術(shù)支持。該研究成果為發(fā)展高性能類腦智能神經(jīng)形態(tài)器件提供了新思路和新途徑。

圖2. 基于電解質(zhì)柵單層WSe?晶體管的物理儲(chǔ)備池計(jì)算系統(tǒng)在交通軌跡預(yù)測(cè)中的應(yīng)用。a) 包含移動(dòng)車輛和行人的典型交通場(chǎng)景。b) 不同交通要素的空間幀信息。c) 根據(jù)首幀目標(biāo)位置預(yù)測(cè)的后兩幀坐標(biāo)信息。d) 碰撞場(chǎng)景中車輛和行人的實(shí)際軌跡與e)預(yù)測(cè)軌跡對(duì)比。f) 碰撞場(chǎng)景中預(yù)測(cè)軌跡與實(shí)際軌跡的誤差。g) 非碰撞場(chǎng)景中車輛和行人的實(shí)際軌跡與h)預(yù)測(cè)軌跡對(duì)比。i) 非碰撞場(chǎng)景中預(yù)測(cè)軌跡與實(shí)際軌跡的誤差。

我院博士生孫東東、碩士生李傲為該論文共同第一作者，石媛媛教授為論文通訊作者。該項(xiàng)研究得到了中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)微納研究與制造中心和理化中心的支持。