多端子“忆阻器晶体管”诞生！使类脑计算的实现前景变得更加光明！
关键词：忆阻器晶体管 类脑计算 神经网络 突触 二硫化钼
当前，计算机算法也许已经具备了执行类脑功能的能力，如面部识别和语言翻译，但是计算机本身却还不能像大脑一样运行。计算机需要依靠相互独立的处理和存储单元执行运算的功能，而大脑则只需要利用神经元就可以同时完成这两项工作。与数字计算机相比，神经网络可以极低的功耗完成更为复杂的运算。为此，近年来，研究人员一直在寻找能使计算机变得更像神经形态的大脑一样的方法，以实现更加高效的复杂运算。
近日，在美国国家标准与技术研究院（NIST）和美国国家科学基金会（NSF）的支持下，西北大学麦克科马克工程学院的研究人员研制的多端子“忆阻器晶体管（Memtransistor）”，使这一目标的实现前景变得更加光明。研究成果已在著名期刊《自然》发表。
新器件结构与特点
西北大学研究团队开发的“忆阻器晶体管”的运行方式与神经元相似，可以同时执行记忆存储和新型处理的任务。“忆阻器晶体管”同时具有忆阻器和晶体管的特性，且包含多个端子，更加接近于神经网络运行。
西北大学“忆阻器晶体管”的研发基于研究人员在2015年的一项研究工作。在该项研究中，研究人员利用单层二硫化钼（MoS2）制造出了可实现快速、可靠数据存储功能的三端子可调谐栅极忆阻器。忆阻器是“记忆存储电阻器”的简称，在有电流流过时可对施加的电压产生“记忆”。典型的忆阻器是双端子电子器件，只能控制单个电压通道。变为三端子器件之后，忆阻器就能够更好地应用于更加复杂的电子电路和系统中，如神经形态计算。
在开发忆阻器晶体管的过程中，研究人员再次使用了具有单原子层厚度的二硫化钼。层状二硫化钼中清晰的晶界会对电流的流动产生影响。在材料中，原子按照类似木材中纤维的排列方式进行有序排列而形成的区域被称为“晶粒”。晶粒之间的边界简称为“晶界”。当施加较大的电压时，晶界的存在会促使原子发生运动，从而引起电阻的改变。由于二硫化钼仅为单原子层厚度，易于通过电场进行调控，是制造晶体管的良好选材。在新器件中，忆阻器的特性来自于材料中可移动的晶体缺陷，且这种效果在有晶界存在时会更加明显。
与先前忆阻器中仅单独使用小片二硫化钼材料不同的是，在忆阻器晶体管中，研究人员采用了由大量二硫化钼薄片组成的连续的二硫化钼多晶薄膜。这有助于研究人员将单个器件制造扩展为在整个晶圆上进行的多器件生产。研究人员指出，当器件的长度大于单个晶粒的尺寸时，可以确保晶圆上的每一个器件中都含有晶界，从而得到可复制且可实现栅极调控记忆性响应的大规模器件阵列。
忆阻器晶体管结构示意图
实现了在整个晶圆上制造一致性良好的忆阻器晶体管之后，西北大学研究团队又成功增加了额外电接触的数量。典型的晶体管和研究团队先前开发的忆阻器均含有3个端子。最近，研究团队成功实现了7端子器件的制造。在器件的7个端子中设有一个总控端子，可控制流经其它6个端子的电流。这样的结构设计更加接近于大脑中的神经元，因为在大脑中，一个神经元通常不会仅与单个神经元相连接，而是同时与多个神经元连接形成网状结构。忆阻器晶体管拥有多个接触点，与神经元中的突触十分类似。
下一步计划
下一阶段，研究人员将进一步提升忆阻器晶体管的运行速度、减小器件尺寸、提高制造水平，最终实现忆阻器晶体管的大规模批量生产。研究人员坚信忆阻器晶体管将成为实现新式类脑计算的基本电路元件。但是，在实验室制造几十个器件，与利用传统晶体管制造技术生产数十亿个器件是完全不同的概念。到目前为止，我们还没有遇到阻碍生产规模进一步扩大的根本性障碍。
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