多端子「憶阻器晶體管」誕生！使類腦計算的實現前景變得更加光明！

關鍵詞：憶阻器晶體管 類腦計算 神經網路 突觸 二硫化鉬

當前，計算機演算法也許已經具備了執行類腦功能的能力，如面部識別和語言翻譯，但是計算機本身卻還不能像大腦一樣運行。計算機需要依靠相互獨立的處理和存儲單元執行運算的功能，而大腦則只需要利用神經元就可以同時完成這兩項工作。與數字計算機相比，神經網路可以極低的功耗完成更為複雜的運算。為此，近年來，研究人員一直在尋找能使計算機變得更像神經形態的大腦一樣的方法，以實現更加高效的複雜運算。

近日，在美國國家標準與技術研究院（NIST）和美國國家科學基金會（NSF）的支持下，西北大學麥克科馬克工程學院的研究人員研製的多端子「憶阻器晶體管（Memtransistor）」，使這一目標的實現前景變得更加光明。研究成果已在著名期刊《自然》發表。

新器件結構與特點

西北大學研究團隊開發的「憶阻器晶體管」的運行方式與神經元相似，可以同時執行記憶存儲和新型處理的任務。「憶阻器晶體管」同時具有憶阻器和晶體管的特性，且包含多個端子，更加接近於神經網路運行。

西北大學「憶阻器晶體管」的研發基於研究人員在2015年的一項研究工作。在該項研究中，研究人員利用單層二硫化鉬（MoS2）製造出了可實現快速、可靠數據存儲功能的三端子可調諧柵極憶阻器。憶阻器是「記憶存儲電阻器」的簡稱，在有電流流過時可對施加的電壓產生「記憶」。典型的憶阻器是雙端子電子器件，只能控制單個電壓通道。變為三端子器件之後，憶阻器就能夠更好地應用於更加複雜的電子電路和系統中，如神經形態計算。

在開發憶阻器晶體管的過程中，研究人員再次使用了具有單原子層厚度的二硫化鉬。層狀二硫化鉬中清晰的晶界會對電流的流動產生影響。在材料中，原子按照類似木材中纖維的排列方式進行有序排列而形成的區域被稱為「晶粒」。晶粒之間的邊界簡稱為「晶界」。當施加較大的電壓時，晶界的存在會促使原子發生運動，從而引起電阻的改變。由於二硫化鉬僅為單原子層厚度，易於通過電場進行調控，是製造晶體管的良好選材。在新器件中，憶阻器的特性來自於材料中可移動的晶體缺陷，且這種效果在有晶界存在時會更加明顯。

與先前憶阻器中僅單獨使用小片二硫化鉬材料不同的是，在憶阻器晶體管中，研究人員採用了由大量二硫化鉬薄片組成的連續的二硫化鉬多晶薄膜。這有助於研究人員將單個器件製造擴展為在整個晶圓上進行的多器件生產。研究人員指出，當器件的長度大於單個晶粒的尺寸時，可以確保晶圓上的每一個器件中都含有晶界，從而得到可複製且可實現柵極調控記憶性響應的大規模器件陣列。

憶阻器晶體管結構示意圖

實現了在整個晶圓上製造一致性良好的憶阻器晶體管之後，西北大學研究團隊又成功增加了額外電接觸的數量。典型的晶體管和研究團隊先前開發的憶阻器均含有3個端子。最近，研究團隊成功實現了7端子器件的製造。在器件的7個端子中設有一個總控端子，可控制流經其它6個端子的電流。這樣的結構設計更加接近於大腦中的神經元，因為在大腦中，一個神經元通常不會僅與單個神經元相連接，而是同時與多個神經元連接形成網狀結構。憶阻器晶體管擁有多個接觸點，與神經元中的突觸十分類似。

下一步計劃

下一階段，研究人員將進一步提升憶阻器晶體管的運行速度、減小器件尺寸、提高製造水平，最終實現憶阻器晶體管的大規模批量生產。研究人員堅信憶阻器晶體管將成為實現新式類腦計算的基本電路元件。但是，在實驗室製造幾十個器件，與利用傳統晶體管製造技術生產數十億個器件是完全不同的概念。到目前為止，我們還沒有遇到阻礙生產規模進一步擴大的根本性障礙。

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