一种模拟生物神经元和神经突触的单元、装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于硫系化合物的模拟生物神经元和神经突触的单元、装置及方法，该单元包括第一电极层、功能材料层和第二电极层。模拟神经元时，器件接受一个或多个电脉冲刺激，功能材料层的电阻从高阻态转变为低阻态，模拟神经元从一个静息态转变到激发态，实现阈值激发和能量累积激发功能。模拟神经突触时，器件功能材料层的电导能根据输入信号渐变，实现突触权重调节功能；以及根据两端输入信号的时间差改变其突触权重，实现脉冲时间依赖突触可塑性STDP功能。本发明专利技术能提供构成人工神经网络的基本元器件。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于微电子器件
，更具体地，涉及。
技术介绍
基于冯诺依曼架构的传统计算机中，处理器与存储器是分立的，以总线连接。这样的架构存在所谓的“冯诺依曼瓶颈”，难以适应信息呈爆炸式增长的信息技术飞速发展的当今时代。相比于冯诺依曼计算机，人脑神经信息活动具有大规模并行、分布式存储与处理、自组织、自适应和自学习的特征。传统的人工神经网络、神经形态工程学等领域的研究人员也一直致力于利用非线性电路、FPGA、VLSI等手段来模拟神经元电触发、突触可塑性等神经元突触的基本生物电特性以及更高级的模式识别、智能控制等认知功能。在这些方法中，仅模拟一个神经元、一个突触、一个学习模块就需要数十个晶体管、电容、加法器。然而，人的大脑中包括了多达IO11个神经元以及 1015个突触，神经元、突触之间的连接更是混沌的、无比复杂的。这种传统的神经形态工程办法对于模拟人类大脑，即使是小鼠大脑都是无能为力的，IBM利用“蓝色基因”超级计算机使用了 147456个处理器架构神经元网络来模拟猫的大脑皮层认知功能。如果能在纳米器件中实现神经元的信号处理，那么模拟整个大脑所需器件集成起来的芯片尺寸、功耗才能在可本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种模拟生物神经元和神经突触的单元，其特征在于，包括第一电极层、与所述第一电极层连接的功能材料层，与所述功能材料层连接的第二电极层；所述第一电极层用于模拟突触后，所述第二电极层用于模拟突触前，所述功能材料层的材料为硫系化合物，所述功能材料层的电导用于模拟突触权重；通过给所述第一电极层施加第二脉冲信号来模拟突触后刺激，通过给所述第二电极层施加第一脉冲信号来模拟突触前刺激；所述功能材料层的电阻用于模拟生物神经元的激发态或静息态。

【技术特征摘要】
1.一种模拟生物神经元和神经突触的单元，其特征在于，包括第一电极层、与所述第一电极层连接的功能材料层，与所述功能材料层连接的第二电极层； 所述第一电极层用于模拟突触后，所述第二电极层用于模拟突触前，所述功能材料层的材料为硫系化合物，所述功能材料层的电导用于模拟突触权重；通过给所述第一电极层施加第二脉冲信号来模拟突触后刺激，通过给所述第二电极层施加第一脉冲信号来模拟突触前刺激；所述功能材料层的电阻用于模拟生物神经元的激发态或静息态。2.如权利要求1所述的单元，其特征在于，所述第一电极层用于接收外部的第二脉冲信号，所述第二电极层用于接收外部的第一脉冲信号；当所述第一脉冲信号的幅值与所述第二脉冲信号的幅值之间的差值为正或负时，所述功能材料层的电导发生改变实现了生物神经突触的突触权重调节功能的模拟；当所述第一脉冲信号与所述第二脉冲信号之间的信号差峰值为正或负时，所述功能材料层的电导发生改变实现了生物神经突触的脉冲时间依赖突触可塑性功能的模拟；当所述功能材料层的电阻从高阻态转换为低阻态实现了生物神经元阈值激发功能的模拟；当所述功能材料层的电阻从低阻态转变为高阻态实现了生物神经元从激发态恢复到静息态功能的模拟；当所述功能材料层的电阻从高阻态转变为低阻态的转变率增加实现了生物神经元的能量累积激发功能的模拟。3.如权利要求1所述的单元，其特征在于，所述第一电极层和所述第二电极层的材料均为惰性导电金属。4.如权利要求1所述的单元，其特征在于，所述第一电极层、所述功能材料层和所述第二电极层构成三明治叠层结构、T型结构、I型结构或金字塔型结构。5.一种模拟生物神经元和神经突触的装置，包括多个阵列排布的模拟生物神经元和神经突触的单元以及与其连接的控制器，其特征在于，所述模拟生物神经元和神经突触的单元为权利要求1-4任一项所述的单元。6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述控制器用于给所述第一电极层施加第二脉冲信号，给所述第二电极层施加第一脉冲信号，并控制所述第一脉冲信号幅值与所述第二脉冲信号幅值之间的差值为正或负，并通过控制所述第一脉冲信号和所述第二脉冲信号的幅值大小来控制脉冲数目。7.一种模拟生物神经元和神经突触的方法，其特征在于，包括下述步骤: 在第一电极层上施加第二脉冲信号，在第二电极层上施加第一脉冲信号； 通过控制所述第一脉冲信号与所述第二脉冲信号使得所述功能材料层的电阻为高阻态转换为低阻态并模拟了生物神经元的阈值激发功能； 通过控制所述第一脉冲信号与所述第二脉冲信号使得所述功能材料层的电阻从低阻态恢复为高阻态并模拟了生物神经元从激发态恢复到静息态的功能； 通过控制所述第一脉冲信号与所述第二脉冲信号的幅值大小来改变所述功能材料层的电阻从高阻态转变为低阻态所需的脉冲数目并模拟了生物神经元的能量累积激发功倉泛; 通过控制所述第一脉冲信号的幅值与所述第二脉冲信号的幅值之间的差值的正或负来调节所述功能材料层的电导的变化并模拟生物神经突触的突触权重调节功能； 通过控制所述第一脉冲信号 与所述第二脉冲信号之间的信号差峰值为正或负来调节所述功能材料层的电导的变化并模拟生物神经突触的脉冲时间依赖突触可塑性功能。8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述模拟生物神经元的阈值激发功能具体为:当所述功能材料层的电阻的阻值大于第一电阻阈值模拟了生物神经元的静息态功能；当所述功能材料层的电阻的阻值小于第二电阻阈值时，模拟了生物神经元的激发态功能。9.如权利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述模拟生物神经元的阈值激发功能步骤具体为: 通过控制所述第一脉冲信号的幅值与所述第二脉冲信号的幅值之间的差值大于第一电压阈值且小于第二电压阈值，使得所述功能材料层的电阻从高阻态转变为低阻态，模拟了生物神经元从静息态转变成激发态功能； 通过控制所述第一脉冲信号的幅值与所述第二脉冲信号的幅值之间的差值大于第二电压阈值，使得所述功能材料层的电阻从低阻态恢复为高阻态，模拟了生物神经元从激发态恢复到静息态功能。10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述模拟生物神经元的能量累积激发功能步骤具体为: 通过控制所述第一脉冲信号的幅值与所述第二脉冲信号的幅值之间的差...

【专利技术属性】
技术研发人员：缪向水，李祎，钟应鹏，许磊，孙华军，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：