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憶阻器在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用
憶阻器，全稱記憶電阻(Memristor)。它是表示磁通與電荷關(guān)系的電路器件。憶阻具有電阻的量綱，但和電阻不同的是，電阻的阻值是由流經(jīng)它的電流決定，而憶阻的阻值是由流經(jīng)它的電荷確定。因此，通過(guò)測(cè)定憶阻的阻值，便可知道流經(jīng)它的電荷量，從而有記憶電荷的作用。1971年，蔡少棠從邏輯和公理的觀點(diǎn)指出，自然界應(yīng)該還存在一個(gè)電路元件，它表示磁通與電荷的關(guān)系。2008年，惠普公司的研究人員首次做出納米憶阻器件，掀起憶阻研究熱潮。納米憶阻器件的出現(xiàn)，有望實(shí)現(xiàn)非易失性隨機(jī)存儲(chǔ)器。并且，基于憶阻的隨機(jī)存儲(chǔ)器的集成度，功耗，讀寫(xiě)速度都要比傳統(tǒng)的隨機(jī)存儲(chǔ)器優(yōu)越。此外，憶阻是硬件實(shí)現(xiàn)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)突觸的最好方式。由于憶阻的非線性性質(zhì)，可以產(chǎn)生混沌電路，從而在保密通信中也有很多應(yīng)用。
摘要：憶阻器是除電阻器、電容器、電感器之外的第四種基本無(wú)源電子元件。憶阻器和電阻的量綱相同，但是它的電阻值會(huì)隨著流經(jīng)的電荷量而發(fā)生改變，因而具有不同于普通電阻的非線性電學(xué)性能。憶阻器能夠在電流斷開(kāi)時(shí)，仍能記憶之前通過(guò)的電荷量，從而保持之前的阻值狀態(tài)，因而具有記憶功能。憶阻器的這些特性與生物大腦中神經(jīng)突觸的工作原理及結(jié)構(gòu)有著高度相似性，并且，憶阻器有著很簡(jiǎn)單的金屬/介質(zhì)層/金屬三明治結(jié)構(gòu)，集成度高，因此在新型神經(jīng)突觸仿生電子器件領(lǐng)域引起極為廣泛的關(guān)注。基于憶阻器，有望在不久的將來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)數(shù)科學(xué)家一直以來(lái)的夢(mèng)想――開(kāi)發(fā)出與人腦結(jié)構(gòu)類似的認(rèn)知型計(jì)算機(jī)以及類人機(jī)器人。
關(guān)鍵詞：相似性;阻變機(jī)理;可塑性
引言
人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種旨在模仿人腦結(jié)構(gòu)及其功能的信息處理系統(tǒng)。神經(jīng)元之間突觸的聯(lián)系強(qiáng)度是可變，這是學(xué)習(xí)和記憶的基礎(chǔ)。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以通過(guò)“訓(xùn)練”而具有自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)的能力。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的關(guān)鍵是權(quán)重設(shè)計(jì)，權(quán)重的硬件實(shí)現(xiàn)需要一個(gè)長(zhǎng)期保持記憶且不耗能的納米級(jí)元件。傳統(tǒng)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)都是在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)上進(jìn)行的，其主要缺點(diǎn)是運(yùn)算量巨大且運(yùn)算不是并行處理。如果在硬件上實(shí)現(xiàn)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的并行分布式處理、非線性處理，自我學(xué)習(xí)功能和自適應(yīng)性等功能，就能夠解決了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)上運(yùn)算量巨大的缺點(diǎn)。而單個(gè)憶阻器便可實(shí)現(xiàn)神經(jīng)突觸功能的模擬，而且憶阻器能夠很容易與納米交叉連接技術(shù)相結(jié)合，具有大規(guī)模并行處理、分布式信息存儲(chǔ)、巨大存儲(chǔ)量等優(yōu)勢(shì)。所以利用憶阻系統(tǒng)是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)神經(jīng)突觸功能的模擬的最好的方式之一，因而成為近年來(lái)研究的熱點(diǎn)。
一、憶阻與神經(jīng)突觸的相似性
神經(jīng)元是大腦處理信息的基本單元。人腦大約含有1011-1012個(gè)神經(jīng)元，神經(jīng)元互相連接成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。突觸是神經(jīng)元間信息傳遞的關(guān)鍵部位，決定了前后神經(jīng)元之間的聯(lián)系強(qiáng)度。圖1.神經(jīng)突觸的結(jié)構(gòu)示意圖。神經(jīng)遞質(zhì)通過(guò)突觸前膜釋放到突觸間隙，作用于突觸后膜上的受體，使突觸后膜發(fā)生電位變化，使下一個(gè)神經(jīng)元產(chǎn)生興奮或抑制。生物系統(tǒng)記憶和學(xué)習(xí)功能是以精確控制通過(guò)神經(jīng)元及突觸的離子流為基礎(chǔ)建立的。突觸能夠隨外界的電位刺激變化，粒子流產(chǎn)生動(dòng)態(tài)連續(xù)的變化，聯(lián)系強(qiáng)度增強(qiáng)或者減弱，即突觸的可塑性。在憶阻器件出現(xiàn)之前，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)突觸的的硬件實(shí)現(xiàn)需要集成電路甚至超大規(guī)模的集成電路，而且人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的密度也很難達(dá)到生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的密度，因而電路復(fù)雜體積龐大，制約了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)于復(fù)雜的人腦功能模擬的實(shí)現(xiàn)。憶阻器的出現(xiàn)解決了這個(gè)問(wèn)題，世界各地多個(gè)研究小組已實(shí)現(xiàn)了具有不同憶阻模型和憶阻特性的憶阻器件。由于憶阻器的電阻可變和電阻記憶特性，與突觸的功能上有很強(qiáng)的相似性，因此憶阻在人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電路中可以模擬突觸在生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的作用。
二、神經(jīng)突觸的可塑性特性
神經(jīng)突觸一個(gè)重要的特征是突觸的可塑性，電信號(hào)刺激能夠加強(qiáng)或者弱化突觸，突觸連接強(qiáng)度可連續(xù)調(diào)節(jié)。利用憶阻器模擬生物突觸最基本的依據(jù)是由于它具有電阻緩變的特性，當(dāng)施加電壓下器件的阻值可實(shí)現(xiàn)從高(低)阻值到低(高)阻值的緩變過(guò)程，器件的導(dǎo)電性(或阻值)相當(dāng)于突觸權(quán)重，導(dǎo)電性增大和減小的過(guò)程分別對(duì)應(yīng)突觸的增強(qiáng)和抑制過(guò)程。記憶是通過(guò)大腦中大量突觸之間的相互連接所表現(xiàn)出來(lái)，因此，突觸可塑性被認(rèn)為是學(xué)習(xí)和記憶重要的神經(jīng)化學(xué)基礎(chǔ)。實(shí)現(xiàn)突觸學(xué)習(xí)功能時(shí)，一個(gè)典型特性是電脈沖時(shí)間依賴可塑性(STDP)。人類大腦中記憶或者突觸可塑性按保留時(shí)間可以分為短程記憶和長(zhǎng)程記憶。短時(shí)程可塑性與神經(jīng)元的信息傳遞和處理有著密切的關(guān)系。神經(jīng)系統(tǒng)每時(shí)每刻都接受數(shù)以千計(jì)來(lái)自外界的刺激，短時(shí)可塑性對(duì)如何在大量的輸入信息中提取有用信息扮演重要角色。長(zhǎng)時(shí)程可塑性促使突觸在數(shù)小時(shí)到數(shù)天之內(nèi)發(fā)生持續(xù)性的變化，人們認(rèn)為其在學(xué)習(xí)和記憶存儲(chǔ)的突觸機(jī)制中發(fā)揮重要作用。
三、憶阻器件的阻變機(jī)理
早在1971年，美國(guó)校華裔科學(xué)家蔡少棠就通過(guò)理論計(jì)算預(yù)言，在電阻、電容和電感之外必定存還在第四種無(wú)源電子元件，即憶阻器。如圖3所示，電路的3個(gè)基本元件電阻、電感和電容，可以分別有由4個(gè)電路變量變量電壓(v)、電流 (i)、電荷量(q)和磁通量(φ)中的兩個(gè)來(lái)定義，分別為：由電壓和電流定義的電阻R、由電荷和電壓定義的電容 C 以及由磁通量和電流定義的電感L。出于邏輯完備性，蔡紹棠認(rèn)為應(yīng)該還存在由電荷量和磁通量定義的第4類基本電路元器件即憶阻器。然而學(xué)界卻一直沒(méi)有找到這個(gè)在理論上成立的無(wú)源元器件，直到37年后(2008年)，美國(guó)惠普公司宣布在Pt/TiO-x/Pt兩端器件實(shí)現(xiàn)了具有憶阻功能的器件結(jié)構(gòu)(圖4)，從而找到這個(gè)一直缺失的電路元件，至此憶阻器開(kāi)始引起更多學(xué)者的研究興趣，并迅速成為電路、材料、生物等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
隨著人們對(duì)憶阻器研究的深入，多種憶阻器件和模型在各研究領(lǐng)域相繼提出和實(shí)現(xiàn)。目前，阻變機(jī)理主要有邊界遷移模型、絲電導(dǎo)模型、電子自旋阻塞效應(yīng)、氧化還原反應(yīng)等。中科院諸葛飛課題組在錐形納米孔洞結(jié)構(gòu)的非晶碳薄膜材料中，實(shí)現(xiàn)了納米導(dǎo)電絲機(jī)制的憶阻器件。非晶碳膜阻變器件的電致電阻效應(yīng)決定于通孔中的納米導(dǎo)電細(xì)絲的通斷(如圖4)。
四、結(jié)論與展望
本文對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的概念、憶阻器與神經(jīng)突觸的相似性、神經(jīng)突觸的可塑性、憶阻器的阻變機(jī)理進(jìn)行了綜述，指出了目前很多憶阻器是利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)人工智能及超級(jí)計(jì)算機(jī)的硬件基礎(chǔ)。目前憶阻器材料研究存在的兩個(gè)主要問(wèn)題是阻 變機(jī)理不夠清楚和阻變性能不夠穩(wěn)定。憶阻器材料非常之多，甚至把任意絕緣材料做到納米級(jí)，就很有可能具有阻變特性。找出隱藏在眾多阻變現(xiàn)象之后的機(jī)理有無(wú)共同的規(guī)律，研究阻變特性是由材的化學(xué)成分決定還是由材料的微 觀結(jié)構(gòu)決定，這將是以后研究中需要回答的問(wèn)題。
參考文獻(xiàn)：
[1] Fei Z G， Jun L，Hao C et al. Single-crystalline metal filament-based resistive switching in a nitrogen-doped carbon film containing conical nanopores. Applied Physics Letters，2015， 106： 083104.
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