类脑计算借鉴了大脑中进行信息处理的基本规律，可对现有计算系统产生本质影响，从而实现计算能耗、计算能力与计算效率等诸多方面的大幅改进。
《自然•材料》杂志12月17日报道，美国密歇根大学（University of Michigan）开发了一种新型的电子设备，它可以直接模拟突触的行为。这是首次在不使用复杂电路条件下，实现神经元共享-竞争模式在硬件中的应用。
突触是两个神经元之间的重要连接。密歇根大学电子与计算机工程教授、论文资深作者卢伟（Wei Lu）说：“神经科学家认为突触之间的竞争和合作行为非常重要。我们设计的新记忆设备使在固态系统中模拟这种行为成为可能。”
忆阻器是具备记忆功能的电阻器。它能根据施加在电阻器上的“历史电压”来调节电流，并同时存储和处理数据，因此比传统系统高效得多；它还支持海量信号的并行处理，并具有潜在的学习能力；此外，它也是一种良好的突触模型，一种能模仿信号通过神经元时、使得神经元之间的连接增强或减弱的方式。电导率的变化通常源于忆阻器内导电材料的通道形状的变化。精确控制导电通道形状和忆阻器的导电能力是实现其模拟突触的关键。
卢伟等制造的忆阻器可以更好地控制传导通路。他们利用半导体二硫化钼开发出一种新的二维材料。这种材料是仅数个原子厚度的薄层。为了控制电子传导，卢伟等将锂离子注入二硫化钼层之间的空隙中。他们发现，如果孔隙中有足够的锂离子存在，二硫化钼的晶格结构就会发生改变，使电子能够轻易穿过薄层材料。而在锂离子较少的区域，硫化钼会恢复半导体的晶格结构，使电子信号难以通过。在电场影响下，锂离子很容易在薄层材料中重新排列。这就使研究人员可以逐渐改变导电区域的大小，从而控制器件的导电性。卢伟说：“因为我们改变了薄膜的‘体积’特性，所以电导率的变化是循序渐进和可控的。”除了使设备性能可控，分层结构还使研究人员能够通过“共享锂离子”将多个忆阻器连接在一起，从而创造出一种类似大脑组织中的类脑连接。单个神经元的树突，可能会经由多个突触与其他神经元的信号臂连接起来。卢伟等将共享锂离子与能使突触生长的蛋白质进行了比较。神经科学家认为，如果一个突触在生长时释放这些蛋白质，那么它附近的其他突触也可以生长，这就产生了合作模式。突触之间的合作有助于迅速形成持续数十年的生动记忆，并产生联想记忆。如果生长蛋白质缺乏，突触就会以另一个突触为代价生长——这种竞争模式会削弱大脑组织间的联系，从而阻止它们产生“信号爆炸”。
卢伟团队的忆阻器可以模拟竞争-合作现象。在竞争模式下，锂离子从设备的一侧流失。锂离子较多的一侧电导率增加，导电性增强。为了模拟合作模式，他们制作了一个包含4个可以交换锂离子的忆阻管网络，锂离子通过虹吸现象在设备间转移。在这种情况下，锂供体不仅可以增加主管的导电性，还能使其他3个设备也可以有一定的电信号传导能力。
目前，卢伟团队正在构建这样的忆阻器网络，以探索它们在类脑计算方面的潜力。
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编译：雷鑫宇
审稿：德克斯特
责编： 唐林芳
期刊来源：《自然•材料》
期刊编号：1476-1122
原文链接：
https://phys.org/news/2018-12-brain-like-memristor-mimics-synapses.html
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