神經(jīng)形態(tài)計算需要受人腦元素(例如神經(jīng)組織和突觸)啟發(fā)的建筑體系結(jié)構(gòu)。這些架構(gòu)已被證明是非常有前途的，并且對于許多應(yīng)用程序都具有優(yōu)勢，因為它們可以同時具有存儲和學(xué)習(xí)功能。

當(dāng)前大多數(shù)的神經(jīng)形態(tài)結(jié)構(gòu)都在人為地重建突觸的可塑性(即隨時間容易塑形的能力)，突觸是神經(jīng)細(xì)胞之間的連接點，能夠使沖動跨大腦區(qū)域傳播。然而，神經(jīng)形態(tài)計算方法的另一個潛在的有價值的靈感來源是神經(jīng)元膜的可塑性，它是保護(hù)神經(jīng)元功能的保護(hù)性屏障。

考慮到這一點，德累斯頓工業(yè)大學(xué)和Hemholtz中心的研究人員最近設(shè)計了一種神經(jīng)晶體管，該晶體管模擬神經(jīng)元膜的固有可塑性。這種新的神經(jīng)晶體管是在Nature Electronics上發(fā)表的一篇論文中提出的，它是通過用離子摻雜的溶膠-凝膠硅酸鹽薄膜涂覆硅納米線來制造的。

進(jìn)行這項研究的研究人員之一拉里薩·巴拉班(Larysa Baraban)表示：“作為一個在生物和化學(xué)電子傳感器方面具有主要專業(yè)知識的小組，我們試圖找到一種合適的系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用生物傳感器的原理復(fù)制神經(jīng)元膜的特性。” TechXplore。

由Eunhye Baek，Baraban及其同事設(shè)計的神經(jīng)晶體管利用了基于硅納米線晶體管的電子電位生物傳感器的特性。這類傳感器可以將離子或分子的電荷轉(zhuǎn)換為電流。研究人員將能電子感應(yīng)離子電荷的場效應(yīng)晶體管與溶膠-凝膠薄膜結(jié)合在一起，從而能夠重新分配離子電荷。

參與這項研究的另一位研究員Gianaurelio Cuniberti告訴TechXplore：“我們在8英寸絕緣體上硅(SOI)晶片上使用CMOS工藝(例如電子束和UV光刻)制造了硅納米線晶體管，” “然后我們用離子摻雜的硅酸鹽薄膜涂覆納米線器件，該薄膜是通過溶膠-凝膠工藝使用硅酸鹽基前體和金屬離子合成的。”

Baek，Baraban，Cuniberti及其同事提出的新型神經(jīng)晶體管可以起到短期記憶的作用，因為溶膠-凝膠膜會限制離子在其內(nèi)部的移動并在短時間內(nèi)保持某些離子狀態(tài)。由于這種獨特的品質(zhì)，溶膠-凝膠薄膜使神經(jīng)晶體管能夠產(chǎn)生獨特的非線性(即S型)輸出動態(tài)，而動態(tài)動態(tài)則受輸入信號的歷史支配。

研究人員開發(fā)的設(shè)備可模擬神經(jīng)元細(xì)胞的功能和固有可塑性。實際上，在神經(jīng)元中，膜電位會導(dǎo)致離子電流發(fā)生S型變化。這種非線性動態(tài)特性還為其提供了高級學(xué)習(xí)功能，使其非常適合機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用程序，例如，學(xué)習(xí)如何在模式分類任務(wù)中表現(xiàn)良好。

“這項研究最有意義的成就是我們利用神經(jīng)元的可塑性獲得的神經(jīng)晶體管網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)學(xué)習(xí)能力，”這項研究的主要研究人員之一Eunhye Baek告訴TechXplore。“許多神經(jīng)形態(tài)設(shè)備(主要是憶阻器)由于其隨機(jī)性(如隨機(jī)電流閾值)而幾乎無法控制輸出動態(tài)。”

研究人員采用的設(shè)計策略使他們的神經(jīng)晶體管能夠使用其細(xì)胞中定量的摻雜離子來獲得穩(wěn)定的輸出動態(tài)。由于Baraban，Cuniberti，Baek及其同事最近的研究的目標(biāo)是模仿神經(jīng)元的非線性計算，因此他們的神經(jīng)晶體管可用于執(zhí)行設(shè)備級分類，而無需進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理。由于其他在神經(jīng)形態(tài)設(shè)備上運行的現(xiàn)有模式分類模型需要額外的軟件計算，因此這可以以更低的能耗實現(xiàn)更強(qiáng)大的神經(jīng)形態(tài)計算。