【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】生物啟發(fā)脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)有望通過模擬人腦的高算力、高并行度、低功耗等特性，解決馮·諾依曼架構(gòu)存儲墻和能效瓶頸等問題。然而，面向構(gòu)建脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的神經(jīng)形態(tài)硬件的研究尚處于探索階段，基于傳統(tǒng)CMOS的神經(jīng)形態(tài)芯片通常需要數(shù)十個晶體管和若干電容；基于新型存儲器等新原理神經(jīng)元器件亦需集成額外電容或復(fù)位操作電路，且耐久性受限，難以滿足高頻神經(jīng)元器件的信息整合處理需求。自旋電子器件具有高能效、高耐久性及更豐富的物理特性，成為神經(jīng)形態(tài)硬件開發(fā)最具潛質(zhì)的載體之一。
 

　　近日，中國科學(xué)院微電子研究所微電子器件與集成技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室劉明院士團(tuán)隊基于合成反鐵磁異質(zhì)結(jié)構(gòu)，通過界面工程有效調(diào)控磁疇壁動力學(xué)特性，在無需電容和復(fù)位電路的情況下實(shí)現(xiàn)了具有積累-泄露-放電-自復(fù)位特性的神經(jīng)元器件及陣列。該團(tuán)隊提出并驗(yàn)證了體系焦耳熱依賴的Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida交換作用和內(nèi)建磁場相互競爭驅(qū)動磁疇壁往復(fù)運(yùn)動物理機(jī)制，有望實(shí)現(xiàn)高放電率(17 MHz)、低能耗(486 fJ/spike)神經(jīng)元集成器件。該工作結(jié)合負(fù)微分電阻器件特性構(gòu)建了“winner-takes-all”的神經(jīng)元電路模塊，提升了脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)性能的同時可大幅降低網(wǎng)絡(luò)功耗。該研究基于所開發(fā)的器件磁疇壁動力學(xué)物理模型模擬神經(jīng)元行為特性，進(jìn)一步構(gòu)建了兩層脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(興奮性神經(jīng)元+抑制性神經(jīng)元layer)。這一體系架構(gòu)對Modified National Institute of Standards and Technology(MNIST)手寫數(shù)字集的基準(zhǔn)識別率達(dá)到88.5%，為神經(jīng)形態(tài)計算領(lǐng)域提供了硬件開發(fā)的新思路。
 

　　相關(guān)研究成果以Spintronic leaky-integrate-fire spiking neurons with self-reset and winner-takes-all for neuromorphic computing為題，在線發(fā)表在《自然-通訊》(Nature Communications)上，并被選為“編輯亮點(diǎn)推薦工作”。研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)等的支持。
 

　　a、b：自旋電子神經(jīng)元器件磁光顯微鏡磁-電輸運(yùn)測試與磁光克爾數(shù)據(jù)圖像；c、神經(jīng)元器件磁滯回線；d、磁光克爾與霍爾電壓信號LIFT特性。