Мемристивные искусственные синапсы для нейроморфных вычислений (перевод)
advertisement
Мемристивные искусственные синапсы для нейроморфных вычислений ОСНОВНЫЕ МОМЕНТЫ: • Синаптические устройства, имитирующие синаптические функции, обсуждаются путем их классификации на электрически стимулируемые, оптически стимулируемые и фотоэлектрические синергетические синаптические устройства, основанные на стимуляции электрических и оптических сигналов. • Сравниваются и анализируются рабочие механизмы, прогресс и сценарии применения синаптических устройств, основанных на электрических и оптических сигналах. • Изучаются возможности и будущее развитие различных синаптических устройств, которые могут иметь важное значение для создания эффективных нейроморфных систем. АННОТАЦИЯ: Нейроморфные вычисления имитируют работу биологической функции мозга для обработки информации и потенциально могут решить узкое место архитектуры фон Неймана. Эти вычисления реализуются на основе мемристивных аппаратных нейронных сетей, в которых основными единицами являются синаптические устройства, имитирующие биологические синапсы мозга. Имитация синаптических функций с помощью этих устройств имеет решающее значение в нейроморфологических системах. В последнее десятилетие электрические и оптические сигналы были включены в синаптические устройства и способствовали моделированию различных синаптических функций. В этом обзоре эти устройства обсуждаются путем их классификации на электрически стимулированные, оптически стимулируемые и фотоэлектрические синергетические синаптические устройства, основанные на стимуляции электрических и оптических сигналов. Подробно анализируются рабочие механизмы устройств. За этим следует обсуждение прогресса в имитации синаптических функций. Кроме того, описаны существующие сценарии применения различных синаптических устройств. Кроме того, изучаются возможности и будущее развитие синаптических устройств, которые могут иметь важное значение для создания эффективных нейроморфных систем. КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: Синаптические устройства; Нейроморфные вычисления; Электрические импульсы; Оптические импульсы; Фотоэлектрические синергетические эффекты 1 ВСТУПЛЕНИЕ: За последние полвека компьютеры, основанные на традиционной архитектуре фон Неймана, достигли большого прогресса, учитывая их мощные возможности для решения вычислительных задач [1]. Однако процессоры и память физически разделены, что вызывает ряд проблем, таких как низкая скорость вычислений и высокое энергопотребление. Кроме того, вычислительный механизм фон Неймана работает в соответствии с определенной программой, что делает невозможным саморазвитие и своевременное решение проблем [2]. Кроме того, масштабирование устройств на основе закона Мура для улучшения вычислительных возможностей в последние годы значительно замедлилось [3]. Эти недостатки ограничивают дальнейшее развитие вычислительного оборудования на основе кремниевых КМОП. С появлением больших данных, “Интернета вещей” и искусственного интеллекта постепенно возрос спрос на низкоэнергетические и высокоадаптируемые вычисления. Человеческий мозг имеет нейросетевую схему, состоящую из 1011 нейронов и 1015 синапсов (рис. 1-а) [4, 5]. Благодаря распределенным и параллельным операциям в своем цикле человеческий мозг обладает большим объемом памяти и высокоскоростными вычислительными 1 возможностями [6]. Он может поддерживать низкое энергопотребление во время работы, тем самым достигая преимущества адаптации к внешнему миру. Вдохновленная человеческим мозгом, искусственная нейронная сеть (ANN) создается для успешной реализации вычислений, подобных мозгу, и считается наиболее эффективным решением проблемы фон Неймана [7]. Подобные мозгу вычисления для обучения и обработки информации используют пластичность нейронных синапсов в нейронной сети человеческого мозга [8]. Каждый синапс состоит из пресинаптического терминала, постсинаптического терминала и узкого промежутка между двумя терминалами, то есть синаптической щели (рисунке 1-а) [9]. Синапс — это место, где нейроны функционально связаны и являются ключевым компонентом для передачи информации. Как показано на рисунке 1 (б-д) , когда потенциал пресинаптического действия достигает передней части синапса, открывается канал кальция (Ca2+), контролируемый потенциалом [10]. Ca2+ проникает в пресинаптическую мембрану и вызывает открытие пузырьков, содержащих нейротрансмиттеры. Затем нейротрансмиттеры высвобождаются в синаптическую щель и связываются с рецепторами постсинаптической мембраны, вызывая открытие или закрытие Na+-каналов задней мембраны. В результате изменяется проводимость синапсов, что соответствует поведению возбуждающего/тормозного постсинаптического потока (EPSC/IPSC). Этот процесс называется синаптической пластичностью и играет решающую роль в передаче информации в нейронной сети человека. Синаптическая пластичность — это зависящее от опыта изменение силы связи между нейронами, которое хорошо описывается теорией Хебба [5, 6, 11]. Эта пластичность бывает разных типов в зависимости от формы внешних импульсов [12]. Различные типы включают краткосрочное потенцирование/подавление (STP/STD), такие как парное облегчение импульсов (PPF)/парное подавление импульсов (PPD) и зависящая от числа импульсов пластичность (SNDP), долгосрочное потенцирование/подавление (LTP/LTD), зависящая от скорости всплеска пластичность (SRDP) и зависящая от времени всплеска пластичность (STDP). Обычно считается, что STP/STD связаны с распознаванием и обработкой внешних сигналов человеческим мозгом. Этот тип синаптической пластичности в основном зависит от биохимических изменений в нейронах, при которых распознанная информация легко забывается. LTP/LTD связана с обучением и памятью человеческого мозга. Этот тип синаптической пластичности обычно включает изменения в структуре и экспрессии генов; память на внешнюю информацию может длиться несколько месяцев или дольше. Переход от кратковременного к долгосрочному потенцированию и депрессии может произойти, когда синапс стимулируется непрерывными внешними импульсами, что обеспечивает реализацию памяти в человеческом мозге. Вышеупомянутое поведение также может быть реализовано путем изменения амплитуды всплесков, которая называется пластичностью, зависящей от амплитуды всплесков (SADP). SRDP отражает синаптическую пластичность, генерируемую внешними импульсами на разных частотах. Этот тип синаптической пластичности является одной из важнейших синаптических функций в когнитивном поведении мозга. STDP зависит от последовательности и интервала внешних сигнальных импульсов, поступающих на пресинаптические и постсинаптические терминали синапса. Когда изменяется временная последовательность сигналов, поступающих на оба терминала, вес синапса может изменяться от потенцирования (депрессии) до депрессии (потенцирования). Это явление называется асимметричным STDP, иначе оно называется симметричным STDP в мозге. STDP считается наиболее важным механизмом обучения теории Хебба и играет важную роль в кодировании информации, обучении и запоминании. 2 Рисунок 1 – a) Схема биологических нейронов и синапсов. Воспроизведено с разрешения ссылки [4]; б) Иллюстрация потенциала действия, поступающего на пресинаптический терминал; в) Открытие управляемых напряжением каналов Ca2+ в активной зоне в ответ на потенциал действия; г) Высвобождение нейротрансмиттеров в везикулах в синаптическую щель; д) Диффузия нейротрансмиттеров через щель и связывание со специфическими рецепторами на постсинаптическом терминале; б-д адаптировано с разрешения ссылки [10]; Кроме того, учитывая, что информация передается между нейронами в нейронной сети мозга через синапсы [6], создание синаптических устройств, имитирующих вышеуказанные синаптические функции, имеет решающее значение для развития ANNs. Синаптическое поведение этих устройств аналогично синапсам мозга. Когда синаптическое устройство получает внешний стимул, синаптический вес изменится, но он не сразу вернется в исходное состояние. Однако, когда устройство синапса непрерывно стимулируется, его вес будет постоянно меняться, демонстрируя совокупный эффект, который можно запомнить. Таким образом, синаптические устройства были сконструированы на основе этих свойств различных функциональных мемристивных систем на основе материалов и изучали синаптическое поведение в ответ на сигналы внешней стимуляции [13]. Эти сигналы в основном включают электрические и оптические импульсы, которые обладают многими преимуществами в регулировании физических свойств этих устройств на основе материалов и, таким образом, имитируют синаптические функции [2, 4, 12, 14]. В работе мы обсуждаем эти синаптические устройства, классифицируя их на электрически стимулируемые, оптически стимулируемые и фотоэлектрические синергетические синаптические устройства. Представлены рабочие механизмы, прогресс, приложения и несколько перспектив. 2 КЛАССИФИКАЦИЯ СИНАПТИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ: Различные синаптические устройства могут быть классифицированы в соответствии с различными стандартами. Например, на основе рабочего механизма синаптические устройства можно разделить на миграцию ионов (электрические импульсы) [15], сегнетоэлектрические (электрические импульсы) [16], изменение фазы (включая 3 электрические импульсы и оптические импульсы) [17, 18], захват и высвобождение заряда (включая электрические импульсы и оптические импульсы) [19, 20] и окислительновосстановительные механизмы [21, 22]. Эти материалы включают оксид металла, полупроводники, материалы с фазовым переходом и перовскит и т.д. В зависимости от типа их структуры синаптические устройства можно разделить на двухполюсные и транзисторные синаптические устройства [23, 24]. Порт электрода можно рассматривать как нейрон, подключенный к синапсу, или порт для стимуляции сигнала. Два терминальных синаптических устройства могут быть легко интегрированы, в то время как синаптические устройства транзисторного типа трудно интегрировать, но они могут хорошо регулировать электрическое поведение с помощью напряжений затвора. Основываясь на типах стимуляции синаптических устройств, нейросинаптические устройства в основном делятся на синаптические устройства с электрической стимуляцией и оптической стимуляцией [25, 26]. Кроме того, появились также фотоэлектрические синергетические синаптические устройства, которые координируют оптические и электрические импульсы [27]. 2.1 Синаптические устройства с электрической стимуляцией Электростимулированные синаптические устройства в основном используют электрические импульсы в качестве стимулирующих сигналов для изменения их проводимости, то есть вес синапса, и реализуют имитацию различных синаптических функций путем изменения длительности импульса стимуляции, амплитуды напряжения, частоты, числа и так далее [28, 29]. В одном исследовании также сообщалось об использовании электрических импульсов, которые регулируют люминесцентные характеристики устройств для имитации синаптических функций, и это вызвало большой интерес [30]. Ожидается, что идеальные синаптические устройства с электрической стимуляцией будут обладать памятью об изменениях веса синапсов. Таким образом, при проектировании и подготовке синаптических устройств необходимо учитывать структуру устройства, которая может запоминать достигнутые состояния сопротивления. Мемристор — это разновидность резистивной оперативной памяти (RRAM) [31, 32]. При стимуляции внешними электрическими импульсами его состояние сопротивления изменяется на основе различных механизмов [33]. Когда электрическое поле снимается, предыдущее значение сопротивления может быть сохранено, и эффект памяти может быть реализован. Это поведение похоже на функцию памяти биологических синапсов [34]. С момента появления мемристоров исследователи использовали их в качестве синаптических устройств для имитации биологических синаптических функций [2, 35, 36]. Текущие исследования по применению электрических запоминающих систем в области синаптических устройств в основном включают миграцию ионов [24, 33, 37], сегнетоэлектрические [16, 38-40], изменение фазы [41, 42, 74], а также типы захвата и высвобождения носителей [19]. Этот раздел в основном посвящен этим типам устройств. 2.1.1 Синаптические устройства типа ионной миграции Мемристоры типа ионной миграции в основном используют внешние электрические импульсы для запуска движения ионов металлов или кислородных (галогенных) вакансий, что приводит к образованию проводящих волокон [33]. При подаче обратных электрических импульсов ионы металлов или вакансии кислорода (галогена) перемещаются в противоположном направлении, и пламя разрывается. Исследователи используют этот процесс для контроля изменений электропроводности, тем самым имитируя биологические синаптические функции [14]. Устройства для миграции ионов металлов являются одними из наиболее распространенных мемристоров для имитации синаптических функций. Одной из моделей 4 является модель атомного переключателя, основанная на системе Cu2S (рис. 2а), как видно из работы Найака и др. [43]. Устройство работало в трех состояниях в ответ на внешние импульсы, соответствующие памяти датчика (SM), кратковременной памяти (STM) и долговременной памяти (LTM). В состоянии SM в промежутке в ответ на внешние импульсы произошло небольшое осаждение атомов меди (Cu). Результирующее увеличение проводимости было довольно небольшим. С увеличением амплитуды и частоты импульсов все больше атомов Cu направлялось в зазор, постепенно увеличивая проводимость. Наконец, были сформированы состояния STM и LTM соответственно. Таким же образом Оhno и др. [37] сконструировали синаптические устройства с использованием Ag2S. Эти системы имеют общую особенность искусственного создания наноструктуры между активным слоем и Pt-электродом под контролем сканирующего туннельного микроскопа, и синаптические функции имитируются во время операций. Другая категория основана на структуре активного электродного серебра, такого как Ag/диэлектрик/неактивный электрод [33, 36, 44, 45]. Приложенный электрический импульс использовался для регулирования движения Аг и, наконец, для изменения электрических характеристик устройства [45]. Синаптические функции успешно имитировались во время формирования и разрыва мембран в ответ на внешние электрические импульсы. Мемристоры на основе оксида регулируют движение кислородных вакансий с помощью электрических импульсов [33], тем самым контролируя образование и разрыв проводящих волокон для имитации синаптических функций [46]. В последние годы этим мемристорам на основе оксида уделяется большое внимание. Чанг и др. [47] изучили мемристор системы WOx и успешно реализовали имитацию синаптических функций (рис. 2б). В случае внешних импульсов смещения кислородные вакансии в устройстве перераспределялись, имитируя синаптические функции посредством образования и разрыва волокон. Этот процесс аналогичен миграции галогенид-ионов в перовскитах для имитации различных синаптических функций [48]. Резистивное переключение во время миграции ионов также может быть связано с окислительно-восстановительными процессами, происходящими на границе раздела между активными материалами и окисляемым электродом, а также в каналах [21, 49], которые также могут имитировать синаптические функции. Кроме того, органические материалы, которые обладают свойствами низкой стоимости, гибкости, хорошей экологической стабильности и простыми процедурами изготовления, были интенсивно исследованы для нейроморфных применений. Синаптические веса в основном контролируются миграциями ионов в этих структурах на основе материалов [50-57]. Например, Ли и др. [53] разработали синаптический транзистор ONW (органическая нанопроводка). Ионы проникали в оболочку PEO или даже в ядро P3HT под шипами, и проводимость соответственно изменялась. Затем в ходе этого процесса была индуцирована пластичность. Чжу и др. [50] построили синаптическое устройство на основе транзисторной структуры, в котором в качестве канала использовался ITO, а в качестве затвора - органические протонпроводящие электролиты. Под действием положительных электрических импульсов на затворе протоны (заряженные ионы) накапливаются на границе раздела электролитов и канала, что может управлять распределением электронов в канале и имитировать синфазную функцию LTP. Синаптическая функция LTD также была реализована при отрицательных электрических импульсах. Рассмотренные выше синаптические устройства в основном основаны на миграции различных ионов. Размер может быть уменьшен до предельной области нанометров, что благоприятно сказывается на их интеграции [32]. При подключении электрические свойства синаптических устройств могут значительно возрастать, а их динамический 5 диапазон велик [44]. Однако взаимосвязь между проводимостью и временем стимуляции является нелинейной, что не соответствует требованиям превосходной линейности для изменения синаптического веса по сравнению со стимуляцией для онлайн-обучения нейронной сети [58, 59]. Поэтому исследователи распыляли частицы металла в активных слоях или добавляли ионоблокирующие слои во время подготовки [60], как описано ниже, что может сохранить изменение синаптической массы с относительно хорошей линейностью и избежать внезапных изменений электрических свойств. Например, Джо и др. [61] использовали метод совместного распыления Ag и Si для включения определенной доли частиц Ag в кремниевую матрицу (рис. 2г). Из кривых I–V на рис. 2г [61], проводимость показала гистерезис для каждой развертки как при прямом, так и при обратном смещении, что указывает на то, что напряжение может вызывать возвратнопоступательное движение наночастиц Ag (NPS) в синаптическом устройстве. Учитывая это условие (рис. 2д), синаптические функции LTP и LTD были успешно имитированы в ответ на непрерывные внешние импульсы. Между тем, асимметричная синаптическая функция STDP также была реализована путем изменения временного интервала Δt и последовательности подаваемых импульсов, поступающих на пресинаптический и постсинаптический терминалы. Аналогично, Ван и др. [60] использовали методы атомнолучевого осаждения и спинового покрытия для изготовления вертикального двухполюсного синаптического устройства на основе RRAM-устройства TAN/Al2O3:Ag:ZnO/ITO на гибкой подложке (рис. 2е). Механизм переключения сопротивления в этом устройстве включает в себя миграцию ионов кислорода и ионов Ag. Посредством введения электрических импульсов движение ионов Ag к ZnO регулировалось с образованием проводящего провода. При подаче обратного электрического импульса Ag постепенно возвращался на границу раздела между Al2O3 и ZnO, разрывая проводящий провод. Внедренные наночастицы Ag обеспечивают путь для образования пламени, снижая вариабельность сопротивлений с более чем 160 % до 30% между состояниями с высоким и низким сопротивлением. Это обеспечивает возможность улучшения линейности LTPобновления. Аналогично, в синаптическом устройстве на основе оксида TIN/TaOx/Pt между TIN и TaOx был добавлен барьерный слой оксигенации (иона) SiO2 между TIN и TaOx[46]. Это подавляло миграцию ионов кислорода и значительно улучшало линейность свойства LTP. 6 Рисунок 2 – А) Cинаптические устройства на основе атомных переключателей. Воспроизведено с разрешения ссылки [43]. Б) Изменения проводимости в зависимости от увеличения числа развертки синаптического устройства на основе диффузии вакансий кислорода (или ионов кислорода). Воспроизведено с разрешения ссылки [47]. В) Схема синапсного устройства на основе Ag-миграции-мемристора. Г) Измеренный (синие линии) и рассчитанный (оранжевые линии) I–V характеристики мемристора. Вставка: рассчитанные и извлеченные значения переднего положения Ag w в зависимости от количества разверток. Д) Текущие значения устройств в ответ на внешние импульсы потенцирования и подавления. В–Д) Воспроизводится с разрешения ссылки [61]. Е) Схемы конструкции устройства и соответствующего механизма. Адаптировано из ссылки [60] 2.1.2 Сегнетоэлектрические синаптические устройства Под воздействием приложенного электрического поля положительные и отрицательные заряды внутри сегнетоэлектрических материалов разделяются, образуя поляризованный заряд [62-64]. Когда приложенное электрическое поле будет удалено, поляризованное состояние не исчезнет немедленно. Эта функция запускает появление петель гистерезиса электрической поляризации по сравнению с электрическим полем, проявляя запоминающее свойство. Это основная характеристика сегнетоэлектрических материалов. Сегнетоэлектрическая область в сегнетоэлектрических материалах состоит из нескольких доменов железа. Под воздействием электрических импульсов устройство поляризуется, и его поляризация определяется средней степенью поляризации каждого домена железа. В случае непрерывной электрической стимуляции поляризация сегнетоэлектрических материалов приводит к постепенным изменениям электрических свойств устройств [65]. Такие свойства были использованы при изучении синаптических устройств [38, 66]. Soren и др. [39] построили двухполюсное синаптическое устройство на основе сегнетоэлектрического туннельного соединения (FTJ), схема которого представляет собой CACEMNO3 (CCMO)/BiFeO3(BFO)/Co (рис. 3а). BFO представляет собой сегнетоэлектрическую тонкую пленку в устройстве, в то время как CCMO и Co 7 используются в качестве нижнего и верхнего электродов соответственно. Рисунок 3б иллюстрирует наблюдаемый гистерезис сопротивления в зависимости от электрического смещения. Существует изменение сопротивления между состояниями низкого сопротивления (LRS) и высокого сопротивления (HRS). Основываясь на этом свойстве, синаптическая функция STDP была успешно реализована путем проектирования соответствующих форм сигналов электрических импульсов, поступающих в пресинапсы и постсинапсы (рис. 3в). Недавно Ge и др. создали двухполюсный Pt/BaTiO3/Nbлегированный SrTiO3 FTJ. [66] для имитации синаптических функций. Ток домена увеличивался при применении импульсов положительного электрического смещения, что указывало на более низкое сопротивление для домена с поляризацией вниз в устройствах. Тенденция изменения проводимости была противоположна работе Сорена и др. Синаптическая функция STDP была успешно имитирована с использованием энергии фемтоджоуля (FJ), которая сопоставима с потреблением энергии человеческим мозгом (110 Фдж). Благодаря масштабируемости сегнетоэлектрических FLM, вышеуказанные двухполюсники просты и удобны в интеграции. Эти характеристики способствуют применению двухполюсных сегнетоэлектрических синаптических устройств в нейроморфных вычислениях. Однако линейность свойств LTP была плохой и нуждается в дальнейших исследованиях для улучшения. В транзисторной структуре, основанной на гибриде сегнетоэлектрического материала и других оксидных полупроводниковых материалов, поляризационный заряд, генерируемый в сегнетоэлектрическом материале путем приложения напряжения затвора, может регулировать концентрацию носителей в канале близлежащих оксидных полупроводниковых материалов. Таким образом, электрические характеристики устройства успешно регулируются для имитации биологических синаптических функций [16, 67]. На рисунке 3г показано сегнетоэлектрическое синаптическое устройство транзисторного типа, построенное Кимом и др. [16]. Из наблюдаемого эффекта гистерезиса на кривой I–V (рис. 3д), это указывало на накопление и исчезновение заряда, произошедшие на границе раздела между каналом IGZO и сегнетоэлектрическим материалом HfZrOx, соответственно, из-за поляризации HfZrOx под приложенным электрическим полем (VG). На основе этого свойства имитировалось поведение LTP и LTDsynaptic. Синаптический вес синаптического устройства изменяется линейно с увеличением числа импульсных стимуляций. Это условие в значительной степени способствует эффективной эффективности онлайн-обучения искусственных нейронных сетей [58]. Этот принцип в точности совпадает с работой Ли и др. [67], в котором в качестве сегнетоэлектрического слоя в устройстве использовался PbZr0.2Ti0.8O3 (PZT). В устройстве также наблюдался LTP с линейным обновлением, с точностью распознавания цифр в нейронной сети 94,4%. Однако устройство на основе транзисторов трудно сжимается и не способствует интеграции устройства. Для изменения проводимости требуется большое импульсное напряжение, а потребление энергии велико для большинства сегнетоэлектрических синаптических устройств на основе транзисторов [16]. 8 Рисунок 3 – А) Схема сегнетоэлектрического мемристора, в котором сегнетоэлектрический туннельный барьер BiFeO3 расположен между (Ca, Ce) MnO3 и Pt/Co.Б) Одноимпульсная петля гистерезиса сопротивления в зависимости от амплитуды импульса напряжения. В) Синаптическая функция STDP, имитируемая в устройстве. a–c Воспроизведено с разрешения ссылки [39]. Г) Схема синаптического устройства на основе сегнетоэлектрического транзистора на основе тонкой пленки (HFZROX). кривые Д) I-V проводимости канала в зависимости от VG. Е) Изменение проводимости устройства в ответ на последовательные импульсы. Г–Е) Воспроизводится с разрешения ссылки [16]. 2.1.3 Синаптические устройства с фазовым переключением Резистивное переключение может быть основано на фазовых переходах между двумя состояниями: аморфным и кристаллическим. Когда для получения требуемого тепла применяется достаточно большой электрический импульс, материал претерпевает фазовый переход из аморфного состояния (высокое сопротивление) в поликристаллическое или монокристаллическое состояние (низкое сопротивление) [68-70]. Используя разницу в сопротивлении между этими состояниями, в соответствующей структуре имитируется ряд синаптических функций [41, 42, 71-74]. Zhong и др. [42] сообщили о синаптическом устройстве на основе материала с фазовым переходом Ge2Sb2Te5 (GST) (рис. 4а). Когда устройство было сброшено с помощью электрических импульсов с увеличивающейся амплитудой в диапазоне от 1,5 до 2 В с шагом напряжения 50 мВ, оно подверглось аморфизации, и проводимость постепенно ухудшилась (рис. 4б). В процессе настройки сопротивление уменьшалось с помощью импульсов с увеличивающейся амплитудой от 0,75 до 1,25 В с шагом 50 мВ, и проводимость последовательно улучшалась. Изменение состояний с несколькими сопротивлениями этого устройства связано со смесью кристаллических и аморфных материалов GST. Внешнее смещение вызывает несбалансированное распределение температуры, что приводит к изменению объемного соотношения кристаллической и аморфной фазы в устройстве и различному состоянию сопротивления. Исходя из этого, четыре вида правил обучения STDP были успешно реализованы в этих синаптических устройствах путем изменения временного интервала и последовательности импульсов, достигающих пресинаптических и постсинаптических терминалов устройства (рис. 4в). Реализация функции STDP в устройстве закладывает прочную основу для распознавания изображений или цифровых изображений. Однако присущее им свойство 9 однонаправленного переключения, обусловленное их механизмом переключения с тепловым эффектом, приводит к высокому току сброса, и, следовательно, энергопотребление обычно высокое. Кроме того, число средних состояний для долгосрочной пластичности и ее линейности очень ограничено, что влияет на разрешение распознавания в нейроморфных вычислениях. Учитывая ограниченное число промежуточных состояний во время работы, Ren и др. [72] сконструировали Т-образное синаптическое устройство на основе материалов кислород(O)–титан(Ti)–сурьма (Sb)–теллур(Te) (OTST). Состояние сопротивления устройства изменялось в зависимости от импульсного напряжения при разной ширине импульса. В этой структуре связь, образованная O и Ti, вызывала медленную скорость кристаллизации, что обеспечивало возможность улучшенного контроля процесса схватывания. Затем число промежуточных состояний сопротивления ячейки OTST увеличилось до 220, что обеспечило разрешение, близкое к 8 битам, в 7 раз превышающее минимальное квалифицированное разрешение в 5 бит. Между тем, была достигнута хорошая линейная зависимость с увеличением числа электрических импульсов в процессе настройки. Однако в процессе СБРОСА устройство продемонстрировало слабое свойство нелинейности, обусловленное некумулятивным характером закалки расплава. Свойство нелинейности изменений пластичности приведет к снижению точности вычислений и не ожидается в нейронной сети. Чтобы преодолеть проблему нелинейности в нейроморфных вычислениях, Suri и др. предложили синапс 2-PCM [74], используя операцию кумулятивного НАБОРА для выполнения долговременного потенцирования и долговременной депрессии в нейронной сети. Линейный LTP в ЗАДАННОМ процессе ячейки OTST повысил точность когнитивного обучения устройства внешним воздействиям в нейронной сети и продемонстрировал его потенциал в качестве потенциального синаптического устройства. 2.1.4 Захват и освобождение носителей Электрические импульсы могут вызывать движение заряженных частиц (протонов, электронов и дырок) в материалах. Эти носители затем могут быть захвачены различными центрами ловушек [75]. Имитация синаптических функций может быть реализована на основе процесса захвата и высвобождения носителей [76, 77]. Ожидается, что потребление энергии, основанное на этом механизме, будет ниже, чем потребление, основанное на миграции ионов и фазовом переходе, при которых обычно требуются источники высокой мощности. Zhang и др. [78] изготовили двухполюсное устройство на основе гибрида PVPY (поливинилпирролидона)– Au NPS (наночастицы золота) (рис. 4г). NPS Au играют роль центров захвата электронов. При электрической стимуляции захват и высвобождение электронов Au NPs в PVPy – гибридная пленка Au реализовала регулирование электропроводности в устройстве (рис. 4д). Затем были успешно имитированы различные синаптические функции, включая PPF и SRDP. Интересно отметить, что ток стабилизированного состояния после последовательных импульсов выше, чем у последнего (рис. 4е), что указывает на увеличение синаптической массы по сравнению с накоплением времени обучения. Эти явления согласуются с процессом обучения человеческого мозга, в котором процесс переучивания становится все более и более быстрым. Кроме того, преимущество двухполюсных устройств заключается в том, что легко построить структуру из поперечных решеток, которая потенциально может стать важным компонентом при построении нейроморфных систем следующего поколения. Однако тормозящий синаптический ток в устройстве достигнут не был. В связи с этим для имитации синаптических функций был сконструирован полевой транзистор Au NPS–органической памяти (NOMFET) [19, 79]. В этой структуре Au NPS были в основном встроены в 10 интерфейс между органическим полупроводником (пентаценом) и SiO2/Si и использовались в качестве наноразмерных конденсаторов для хранения отверстий. Когда электрические шипы подавались от задних ворот, отверстия в пентацене были захвачены и выпущены Au NPs. Затем проводимость пентацена регулировалась, и различные синаптические функции, включая LTD и асимметрию STDP, были успешно полностью реализованы. Аналогичным образом, Sarkar и др. [76] сконструировали синаптическое устройство транзисторного типа на основе нанопроводов фосфида индия (InP). Носители, захваченные и высвобожденные межфазными ловушками в структуре MOS, успешно модулировали проводимость канала и имитировали синаптические функции, включая IPSC и LTD. Эти достижения расширяют возможности для широкого применения транзисторов с эффектом поля в качестве синаптических устройств, основанных на захвате и высвобождении зарядов в нейроморфных вычислениях.Мы хотели бы отметить, что устройства на основе 2D-материалов также обладают запоминающими свойствами [80-83]. Они успешно используются в качестве синаптических устройств, основанных на вышеперечисленных механизмах [84]. Например, из-за движения ионов металлов под действием электрических импульсов был сформирован проводящий мост путем заполнения вакансий бора в материалах 2D гексагонального нитрида бора (h-BN) для имитации синаптических функций [85, 86]; миграция ионов Li+, вызванная электрическими импульсами в 2D MoS2, привела к обратимой модуляции фазы 2H (полупроводник)-1 T' (металл), и проводимость регулировалась во время этого процесса [87].; управляемость проводимостью гибридного синапса ван–дер-Ваальса (VDW) на основе WSe2 (для переноса дырок) и MoS2 (для переноса электронов) была достигнута за счет использования только явления захвата электронов в слое контроля веса, сформированном на h-BN[88]; родной оксид фосфора, который может захватывать электроны, образованные вместе с анизотропным черным фосфором, обеспечивает естественную оксиднополупроводниковую гетероструктуру для имитации синаптических функций [89]. Динамикой и проводимостью носителей можно управлять либо на внутренних слоях, либо на границе раздела в этих двумерных материалах. Благодаря своей высокой подвижности носителей, эти материалы привлекли внимание людей в последние годы, имитируя синаптические функции. Это открывает совершенно новый путь для низкоэнергетического потребления и высокоскоростных нейроморфных вычислительных систем, разрабатываемых с помощью электроники и аппаратного обеспечения. 2.2 Оптически Стимулируемые Синаптические Устройства Вдохновленные оптогенетикой, оптические сигналы были включены в синаптические устройства [90]. Использование оптических сигналов обеспечивает ряд превосходных характеристик, таких как высокая скорость распространения, высокая пропускная способность и защита от перекрестных помех, которые, как ожидается, позволят решить проблемы, связанные с интеграцией устройств, и проблемы, с которыми могут столкнуться синаптические устройства на основе мемристорных матриц с электрическим стимулированием. Более того, оптически стимулированные синаптические устройства используют световые сигналы в качестве импульсов для имитации синаптических функций и предоставили возможность идентификации цвета в искусственной нейронной сети [91]. В оптически стимулированных синаптических устройствах активные материалы, выбранные в основном, состоят из оксидных полупроводников [92-96], перовскитных материалов [97-99], нанокремния [20, 100], графена [101], двумерного сульфида [102] и так далее. Устройства на основе этих материалов обладают отличными характеристиками фотоэлектрического преобразования [103-106]. Между тем, в устройствах ожидается снижение проводимости до их начальных 11 значений, чтобы соответствовать требованиям, предъявляемым к синаптическим устройствам. Таким образом, исследования оптически стимулированных синаптических устройств в основном основаны на исследовании Рисунок 4 – А) Схема электронного синаптического устройства на основе материалов с памятью фазового перехода (PCM) Ge2Sb2Te5 (GST). Б) Изменение сопротивления в ответ на внешние электрические импульсы для постепенного сброса и установки. В) Синаптические функции STDP, реализованные в устройстве. А–В) Воспроизведено с разрешения ссылки [42]. Г) Поперечная структура устройства ITO/poly(4-vinylpyridine) (PVPy)–Au NP/Al RRAM. Д) Настройка (вверху) и обработка сброса (внизу) устройства. Е) Зависящие от времени синаптические изменения 50 последовательных импульсов. Г–Е) Воспроизведено с разрешения авторов [78]. 2.2.1 Ионизация и деионизация кислородных вакансий Оксидные полупроводники имеют кислородные вакансии [111-113], которые могут быть использованы для улавливания носителей. Внешнее световое стимулирование может привести к ионизации кислородных вакансий; затем электроны попадают в зону проводимости и вносят вклад в проводимость материалов. Рекомбинация электронов с ионизированными вакансиями затруднена из-за относительно большого потенциального барьера, что свидетельствует о хорошем эффекте памяти на генерируемые электрические сигналы. Поэтому устройства на основе оксидных полупроводников были успешно использованы для имитации синаптических функций [92, 114]. На рисунке 5а показано синаптическое устройство на основе пленки оксида индия–галлия–цинка (IGZO), изученное Ли и др. [92]. Когда устройство получало световую стимуляцию, генерировались сигналы тока. Это было связано с генерацией фотогенерированных электронов. Эти электроны в основном генерировались за счет ионизации кислородных вакансий, в дополнение к вкладу перехода полосы (края полосы) – полосы в устройстве. По мере увеличения числа оптических импульсов до 30 постсинаптический ток увеличивался до 150 нА, тем самым увеличивая синаптический вес (рис. 5б). Чтобы подтвердить, что проявление синаптической пластичности связано с ионизацией и деионизацией кислородных вакансий, Ли и др. [92] изучили оптически стимулированные устройства на основе оксида индия– стронция (ISO), оксида индия–стронция–цинка (ISZO) и оксида индия–цинка (IZO). Рабочие механизмы этих устройств и соответствующие синаптические токи показаны на рис. 5 б, в. Фототоки в этих устройствах увеличивались в порядке IZO→ISZO→ISO→IGZO 12 (рис. 5в). Было установлено, что наблюдаемые фототоки не являются надежными для коэффициента поглощения и оптической запрещенной зоны этих материалов. Мы хотели бы отметить, что изменение времени распада соответствовало высотам барьера для нейтрализации ионизированных кислородных вакансий в этих материалах. Поэтому был сделан вывод о том, что проводящий механизм устройства связан с процессом ионизации и деионизации кислородных вакансий после световой стимуляции (рис. 5в). Чтобы лучше понять изменение фототока синаптических устройств на основе IGZO, Wu и др. [115] увеличили концентрацию кислородных вакансий за счет уменьшения отношения концентрации Ga к In в синаптическом устройстве на основе IGZO и обнаружили, что это привело к повышению постсинаптического тока (PSC) и повышению стойкой фотопроводимости (PPC). Эффекты. SnOx может позволить извлекать слабо связанный кислород из IGZO [116]. Ю и др. [114] нанесли SnOx flm на синаптическое устройство на основе IGZO, что привело к увеличению количества вакансий кислорода в IGZO. Наблюдались улучшенные эффекты PSC и PPC, что указывает на роль кислородных вакансий в этом процессе. Ионизация кислородных вакансий также происходит на границах раздела или оксидных поверхностях [25, 117]. Как видно из работы Гао и др. [25], был изготовлен простой оксид индия-олова (ITO)/Nb:SrTiO3 гетеропереход Шоттки, искусственный оптоэлектронный синапс (рис. 5г). Ловушки на границе гетероперехода захватывают электроны, а высота и ширина потенциального барьера Шоттки велики (рис. 5д). В случае световой стимуляции сгенерированные электроны покидали границу раздела, оставляя после себя некоторые положительно заряженные кислородные вакансионные ловушки, которые могут обеспечить дополнительный потенциал для уменьшения встроенного электрического поля. В этот момент высота и ширина потенциального барьера Шоттки на границе раздела уменьшились, что облегчило перенос электронов и привело к повышению электрических характеристик. Имитация синаптической функции перехода STM-в LTM реализуется на основе этого процесса за счет увеличения частоты спайков (рис. 5е) или номер спайка в этом устройстве. Изменение веса синапса, вызванное оптическими импульсами, демонстрирует очень хорошую линейность [92]. Это связано с адсорбцией большого числа электронов на кислородных вакансиях и длительным временем затухания реакции, стимулируемой оптическими импульсами. Этот LTP с линейным обновлением облегчает эффективность онлайн-обучения в нейронной сети. Эти результаты обеспечивают основу для обучения и хранения информации в нейроморфных вычислениях. Однако устройство также имеет недостатки, такие как высокое энергопотребление и неспособность успешно реализовать синаптическую функцию IPSC. 13 Рисунок 5 – А) Схема транзисторного синаптического устройства на основе IGZO. Б) Схема соответствующего механизма отклика, стимулируемого световым импульсом. В) Тенденции постсинаптического тока (PSC) устройств на основе IGZO, оксида индия– стронция (ISO), оксида индия–стронция–цинка (ISZO) и оксида индия–цинка (IZO) по мере увеличения числа импульсов. А–В) Воспроизведено с разрешения ссылки [92]. Г) ITO/Nb: SrTiO3 искусственные оптоэлектронные синаптические устройства с гетеропереходом Шоттки. Д) Профиль барьера Шоттки до и после светового освещения, сопровождающегося положительным напряжением напряжения. Е) Поведение перехода от STM к LTM в зависимости от увеличения частоты всплесков. Г–Е) Воспроизведено с разрешения авторов. [25] 2.2.2 Захват и освобождение Носителей с помощью Ловушек В оптоэлектронных полупроводниковых приборах электроны и дырки генерируются за счет того, что электроны (дырки) перескакивают из валентной (проводящей) зоны в проводящую (валентную) зону в ответ на оптические импульсы [118-122]. Сгенерированные носители могут быть захвачены ловушками в устройствах [123]. Эти ловушки в основном включают поверхностные оборванные связи наночастиц [124], дефекты на границе раздела [125], потенциальные ямы или барьеры, образованные объемным гетеропереходом полупроводника [126]. Эти ловушки способствуют медленному затуханию фототоков в устройствах. Этот процесс использовался для реализации моделирования синаптических функций в последние годы [95, 99, 108, 127, 128]. На рисунке 6а показано многослойное синаптическое устройство на основе нанокристаллов кремния (Si NCS), подготовленное Таном и др.[20]. Si NC, легированный бором, является полупроводником P-типа, и его поверхность имеет дефекты, такие как оборванные связи. Когда устройство стимулировалось оптическим импульсом (375 нм), создавались фотогенерированные носители, и генерируемые отверстия вносили вклад в проводимость устройства (рис. 6б). Фотогенерированные электроны были захвачены свисающими связями на поверхности пленки. Затем захваченные электроны вырвались из дефектов и рекомбинировали с дырками, и ток постепенно уменьшился. Процесс показан на вставке рис. 6а. Были имитированы синаптические функции, включая PPF, переход от STP к LTP и SRDP. Дефекты на интерфейсах устройств также могут задерживать носителей. Как видно на рис. 6в, оптически стимулированное синаптическое устройство со 14 структурой ITO/PCBM)/MAPbI3: Si NC)/Spiro-OMeTAD/Au было подготовлено Wen и др. [108]. В оптически активном слое образуется гетеропереход между Si NC и MAPbI3 (рис. 6г). Дефекты на интерфейсах между Si NCS и MAPbI3 улавливают и высвобождают фотогенерированные электроны и синаптические функции, такие как EPSC, PPF, SNDP и SRDP, затем были успешно имитированы. Фототок был сгенерирован с использованием фотоэлектрического эффекта, что свидетельствует об успешном воспроизведении синаптических функций без подачи энергии. Ван и др. [129] использовали потенциальные скважины для захвата носителей и имитации синаптических функций в горизонтальном синаптическом устройстве (рис. 6д). В качестве активного слоя использовался гибрид неорганического перовскита CsPbBr3 и органического полупроводникового поли(3,3дидодецилквартертиофена) (PQT-12). Фотогенерированные отверстия в CsPbBr3 были захвачены потенциальной ямой, в результате чего ток, генерируемый устройством, медленно возвращался в исходное состояние (справа от рис. 6д). Основываясь на этом условии, устройство успешно имитировало синаптические функции EPSC, PPF, SNDP и SRDP.В этих оптически стимулируемых синаптических устройствах в качестве оптически активных слоев используются полупроводниковые материалы с превосходными свойствами фотоэлектрического преобразования, и различные дефекты вводятся для захвата, а затем высвобождения носителей, успешно реализуя моделирование нейросинаптических функций. Более того, исследователи успешно использовали фотоэлектрический эффект в некоторых устройствах с оптической стимуляцией для достижения имитации синаптических функций при нулевой мощности. Это начинание может способствовать созданию низкоэнергетических нейронных сетей. Однако сложность имитации тормозных синаптических функций остается проблемой. Рисунок 6 - А) Cхема вертикального двухполюсного синаптического устройства на основе кремния; на вставке показан процесс генерации, захвата и высвобождения электронов. Б) EPSC вертикальных синаптических устройств на основе кремния в ответ на 375-нм всплеск. А-Б) Воспроизведено с разрешения ссылки [20]. В) Схема фотоэлектронного синаптического устройства с многослойной структурой ITO/PCBM/MAPbI3:Since/SpiroOMeTAD/Au на стекле. Г) Схема выравнивания полосы частот между Si NCS и MAPbI3 и поведение механизма генерации, захвата и высвобождения носителей. Электроны и дырки обозначены заполненными и пустыми кружками соответственно. Ловушки на границе 15 раздела между MAPbI3 и Si NCS обозначены короткими сплошными линиями. В-Г) Воспроизведено с разрешения ссылки [108]. Д) Электронная схема гибридной структуры синаптического устройства на основе CsPbBr3 и PQT-12 и его рабочего механизма. Воспроизведено с разрешения авторов [129] 2.2.3 Оптически индуцированный фазовый переход Сложность имитации IPSC в оптически стимулированных синаптических устройствах обусловлена генерацией носителей в ответ на оптические импульсы в материалах. Это делает реализацию программирования стирания практически невозможной с помощью оптических импульсов. Фазовый переход может регулироваться источником света [70, 130]. Фазовые переходы в этих материалах включают превращения между полупроводниковым и металлическим состояниями [17], а также между кристаллическим и аморфным состояниями [131]. В этом случае проводимость и свойства поглощения света материалов во время преобразований будут значительно изменены. Между тем, ожидается, что состояния после фазового перехода будут иметь отличные эффекты памяти. Исследователи использовали эти характеристики для нейроморфологических вычислений, как описано ниже. Один из принципов синаптических устройств, основанный на оптически индуцированном фазовом переходе, связан с реакцией тока, стимулируемой оптическими импульсами. Как показано на рис. 7а, Чжоу и др. [17] сообщили об этом механизме в вертикальной двухконечной структуре, включающей ITO/MoOx/Pd. Когда внешняя стимуляция ультрафиолетовым светом падала с конца ITO, в MoOx генерировались электронно–дырочные пары. Фотогенерированные дырки вступали в реакцию с поглощенными молекулами воды, и электроны переносились в MoOx. Этот процесс привел к фазовому переходу из полупроводникового состояния в металлическое, в процессе которого состояние окисления Mo изменилось с Mo6+ на Mo5+. На рисунке 7б, c показаны соответствующие результаты рентгеновской фотоэлектронной характеристики 3d-спектров ядра MoOx MoOx до и после ультрафиолетового освещения и доказано предположение об этом механизме. Когда применялась непрерывная световая стимуляция, ток постепенно увеличивался. Фототок увеличился с 90 до 170 мА см−2 по мере увеличения интенсивности света с 0,22 до 0,88 МВт см−2. Что еще более интересно, фототок в ответ на различную интенсивность света немного уменьшился за 300 с и демонстрирует хорошую память. Эти свойства обеспечивают реализацию функций обучения и памяти с помощью оптически стимулируемых синаптических устройств. Оптические импульсы могут индуцировать фазовый переход Ge2Sb2Te5(GST) между аморфным и кристаллическим состояниями[131], что приводит к изменению свойств поглощения света после фазового перехода. Ченг и др. [110] построили чисто фотонный синапс, основанный на этом принципе. Структура этого синапса представляет собой волновод (Si3N4) с дискретным GST сверху (рис. 7г). Синаптический вес был выражен как относительное изменение пропускания света ΔT/T0 через волновод (рис. 7д), ΔT = T − T0, где T0 - пропускание в кристаллическом состоянии PCM, а T - пропускание света после импульсов. В кристаллическом состоянии PCM обладает большей поглощающей способностью, что приводит к сильному ослаблению проходящего оптического сигнала в волноводе. С другой стороны, поглощение, очевидно, уменьшается в аморфной фазе PCM. Это приводит к тому, что пропускание через волновод существенно не уменьшается. Поскольку фазовый переход PCM был вызван оптическими импульсами высокой энергии, был реализован высокоэффективный способ регулирования светопропускания путем управления количеством подаваемых импульсов возбуждения. Поэтому тормозная синаптическая функция может быть воспроизведена в фотонном синапсе (рис. 7д). Этот фотонный синапс демонстрировал небольшое изменение веса от цикла к циклу на 0,77 % даже после 38 16 импульсов (рис. 7д). GST считается идеальным кандидатом в качестве чисто фотонного синапса, используемого в нейроморфных вычислениях, из-за выдающейся масштабируемости, множественных программируемых сопротивлений и низкой вариабельности между устройствами. Стимулируемое светом количество носителей в оптически стимулируемых синаптических устройствах увеличивается в ответ на внешние оптические импульсы. Это может вызвать изменение веса синаптических устройств и реализовать имитацию EPSC (LTP). Учитывая, что несущие всегда генерируются, когда такие синаптические устройства подвергаются воздействию оптических импульсов, имитация функции IPSC (LTD) в оптически стимулированных синаптических устройствах затруднена. Однонаправленный метод может решить проблемы ANNS, в которых устройства выполняют только функцию LTP [132]. Однако реализация синаптического устройства, которое обладает функциями LTP и LTD, имеет важное значение для повышения эффективности обучения и упрощения ANNS. Теоретически можно считать, что инфракрасный тепловой эффект ухудшает электрические характеристики устройств и имитирует свойства депрессии. Однако может существовать много недостатков, основанных на таком тепловом эффекте, и, следовательно, необходимы улучшенные средства регулирования электрических характеристик. В последние годы исследователи использовали синергетические эффекты электрических и оптических импульсов для регулирования электрических характеристик своих устройств и реализовали имитацию синаптических функций LTP и LTD в одном устройстве [133]. Рисунок 7 – А)Схема устройства на базе MoOx. Б) Узкие сканы 3d-пика Mo для слоя MoOx перед ультрафиолетовым освещением. В) Узкие сканы 3d-пика Mo для слоя MoOx после ультрафиолетового освещения. А–В) Воспроизведено с разрешения ссылки [17]. Г) Вверху: Фотонный синапс с дизайном, имитирующим синапс: конический волновод с шестью дискретными островками Ge2Sb2Te5 (GST) (1 мм × 0,8 мм каждый). Д) Изменение синаптического веса в устройстве во время переключения с записанным относительным изменением передачи (ΔT/T0). Е) Изменения веса от цикла к циклу. Вставка: Статистический анализ различных весов при разных числах импульсов. Г–Е) Воспроизведено с разрешения авторов [110] 17 2.3 Фотоэлектрические Синергетические Синаптические Устройства Как обсуждалось выше, электрические импульсы и оптические импульсы могут регулировать свойства материалов, что приводит к созданию соответственно электрически стимулируемых и оптически стимулируемых синаптических устройств. Оптические импульсы могут не только создавать электронно–дырочные пары [134], но и регулировать образование вакансий или ионов в некоторых материалах [90], в то время как электрические импульсы могут индуцировать движения носителей и ионов [32, 33, 135]. Как оптические, так и электрические импульсы могут индуцировать фазовые переходы материалов [70, 74]. Кроме того, электрические импульсы могут индуцировать поляризацию сегнетоэлектрических материалов, в то время как оптические импульсы могут индуцировать реакцию фототока из-за фотоэлектрического эффекта сегнетоэлектрических материалов [64, 136]. Эти условия способствуют разработке фотоэлектрических синергетических синергетических устройств, которые используют оптические и электрические импульсы для управления электрическими характеристиками устройств посредством их синергетических эффектов [27, 94, 133]. Они содержат электрически поддерживаемую оптическую стимуляцию и оптически поддерживаемую электрическую стимуляцию. Для устройств с оптической стимуляцией с электронной поддержкой фотогенерированные электроны могут быть захвачены различными центрами ловушек, как обсуждалось выше. Носители могут быть удалены путем подачи напряжения смещения для реализации имитации IPSC (LTD). В то же время в устройствах с оптической поддержкой и электрической стимуляцией с горизонтальной структурой оптические импульсы могут использоваться для управления образованием и аннигиляцией ионных вакансий, которые могут способствовать имитации IPSC (LTD); в устройствах с оптической электростимуляцией с вертикальной структурой свет может снизить энергию, необходимую для миграции ионов, что играет важную роль в снижении потребления энергии при электростимуляции и увеличении диапазона изменения веса. Здесь мы в основном обсуждаем синаптические устройства, основанные на этих двух аспектах. 2.3.1 Оптическая Стимуляция с Электрической Поддержкой Для устройств с электрической поддержкой и оптической стимуляцией электрическая стимуляция в основном используется для стирания захваченных носителей (ионов), вызванных оптической стимуляцией, и имитирует синаптическую функцию IPSC (LTD). Хан и др. [137] подготовили синаптическое устройство трансисторного типа на основе гибридной структуры неорганического перовскита и пентацена (рис. 8а). В этой структуре в качестве материала канала использовался пентацен, а в качестве фоточувствительного материала - перовскит. Он демонстрировал гетеропереход II типа (рис. 8б). Когда устройство стимулировалось светом, носители генерировались в неорганическом перовските. Отверстия вошли в пятиокись и внесли свой вклад в проводимость устройства. Электроны были захвачены перовскитом. Таким образом, имитация синаптической функции LTP была успешно реализована (рис. 8в). Структура энергетической зоны была скорректирована путем применения смещения на затворе, что позволило электронам медленно высвобождаться и рекомбинировать с отверстиями в пятиокиси для достижения имитации функции IPSC (рис. 8в). На рисунке 8г показано устройство с вертикальной двухконтактной структурой In2O3/ZnO/FTO[94]. Розовая кривая I-V показывает эффект гистерезиса, связанный с захватом электронов на границе раздела In2O3 и ZnO. Они стимулировали генерацию носителей ультрафиолетовым светом и использовали дефекты на границе раздела для захвата электронов и имитации синаптической функции EPSC. Электроны были стерты обратной электрической стимуляцией для реализации имитации тормозной синаптической функции (рис. 8д). 18 Аналогично, он и др. [27] сконструировали двухполюсное синаптическое устройство со структурой W/MoS2/p Si (рис. 8е). MoS2 и p Si образовали p-n гетеропереход в устройстве. Проводимость MoS2 в ответ на ультрафиолетовое излучение была увеличена за счет генерации носителей. Затем была успешно имитирована постсинаптическая функция возбуждения. Когда к структуре был применен положительный электрический стимул (pSi подключен к положительному смещению), часть носителей была захвачена дефектами (оборванными связями Si–O) на границе раздела. Это ухудшило проводимость, реализуя имитацию функции IPSC. Кроме того, были построены двухмерные транзисторные синаптические устройства на основе материалов (такие как гибридный синапс гетероперехода MoS2/PTCDA [138] и синаптический транзистор MoS2, инкапсулированный в h-BN [139]). Носители генерируются в PTCDA или h-BN в ответ на оптические всплески, а затем передаются в канал MoS2 в этих устройствах. Различные синаптические функции успешно имитируются с помощью расчесывания оптических шипов и электрической модуляции. Стоит отметить, что на основе электрических всплесков было проделано много работы для регулирования распределения носителей в устройствах и содействия имитации IPSC [101, 114, 115, 140, 141]. В этих структурах для управления электрическими свойствами используются фотоэлектрические синергетические эффекты. Преимущества как электрических, так и световых импульсов могут быть использованы во время работы и реализовать имитацию синаптических функций LTP и LTD в одном устройстве, тем самым способствуя развитию нейроморфных вычислений. Рисунок 8 – А) Схема синаптического устройства на основе квантовых точек CsPbBr3. Б) Схема диаграммы энергетического диапазона устройства. В) Фотонный потенциал в ответ на оптические импульсы и подавление в ответ на электрические импульсы в условиях темноты. А-В) Воспроизведено с разрешения ссылки [137]. Г) Синаптическое устройство на основе In2O3/ZnO/FTO и его характеристика ввода–вывода в разных циклах. Д) Изменения тока для синаптических устройств в ответ на возбуждающие оптические импульсы и тормозящие электрические импульсы. Верхняя и нижняя вставки показывают форму импульсов. Г-Д) Воспроизведено с разрешения ссылки[94]. Е) Схема оптоэлектронного синергетического синапсного устройства на основе монослоя MoS2. Воспроизведено с разрешения авторов [27] 2.3.2 Электростимуляция с Оптической Поддержкой 19 Для оптически стимулируемого синаптического устройства с электрической стимуляцией свет используется в качестве дополнительного способа регулирования устройства. Например, Чжу и др. [90] изучали синаптические устройства с горизонтальной структурой на основе органико-неорганического гибридного перовскита (MAPbI3) (рис. 9а). При внешней электрической стимуляции образовывались вакансии йода, в то время как вводились оптические импульсы, очевидно, предотвращающие образование вакансий йода. Следовательно, свет повлиял на изменение состояния сопротивления MAPbI3. По мере увеличения количества электрических импульсов в темном состоянии электрические характеристики устройства постепенно улучшались (рис. 9б). Когда интенсивность света постепенно увеличивалась с 0,11 до 0,38 мкВт см−2, проводимость постепенно ухудшалась с ~20 до~5 мкс. Это явление было связано с облучением светом, которое подавляло миграцию ионов и ускоряло рекомбинацию ионов и вакансий.Свет также влияет на время затухания электрических характеристик. Как показано на рис. 9в, в отсутствие световой стимуляции время затухания увеличивалось с увеличением числа электрических стимуляций. Однако после облучения светом (0,19 мкВт−см2) время затухания значительно сократилось и стало независимым от изменений количества сканирований. Эти изменения показали, что электрическая стимуляция может вызывать миграцию ионов и повышать проводимость, а свет может предотвращать миграцию ионов или образование вакансий, ускорять рекомбинацию ионов и вакансий и снижать проводимость. Эти результаты гарантировали, что имитация важных синаптических функций, таких как LTP (темное состояние) и LTD (1,29 мкВт см−2), может быть реализована с помощью комбинированных электрических и оптических стимуляций в одном устройстве (рис. 9г). На рисунке 9д показано вертикальное синаптическое устройство Ag/MAPbI3/ITO, построенное Хэмом и др. [133]. Посредством внешней электрической стимуляции регулировалось движение вакансий йода для образования проводящих волокон в устройстве, и была реализована имитация синаптических функций. Кроме того, оптическая стимуляция индуцировала миграцию ионов. Это явление может быть связано с изменениями встроенного электрического поля устройства и энергией активации миграции ионов из-за фотогенерированных носителей, что противоречит производительности, обеспечиваемой оптическими устройствами на основе горизонтального устройства на основе MAPbI3, как обсуждалось выше. Источник этой разницы и ее механизм до сих пор неясны, и необходимы дальнейшие исследования. Свет способствовал миграции ионов в вертикальном двухполюсном устройстве и обеспечивал миграцию ионов при небольшом напряжении в устройстве (рис. 9е). Кроме того, в устройстве может мигрировать значительно больше ионов по сравнению с корпусом в темных условиях (рис. 9е), что приводит к большему постсинаптическому току в условиях светового воздействия. Они 20 обеспечивают имитацию линейных синаптических функций LTP и LTD с небольшим потреблением энергии в устройстве. 3 ПРИМЕНЕНИЕ СИНАПТИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ: Синаптические устройства имитировали биологические синаптические функции, такие как STP/STD, LTP/LTD, SRDP и STDP. Эти функции показали множество областей применения, которые в основном включают распознавание образов, логические операции, ассоциативное обучение, фильтрацию и так далее. 3.1 Распознавание образов Синаптическая функция STDP считается наиболее важным механизмом обучения мозга и играет особенно важную роль в распознавании образов [45, 133, 142, 143]. Например, Джон и др. [143] сконструировали синаптическое устройство с электрической стимуляцией на основе перовскитов (MAPbBr3, FAPbBr3 или CsPbBr3) и успешно реализовали имитацию синаптической функции STDP (рис. 10а). На основе этой синаптической функции была построена двухслойная нейронная сеть для распознавания рукописных цифр из модифицированного набора данных Национального института стандартов и технологий (MNIST) (рис. 10б). Благодаря обучению изображениям нейронная сеть достигла точности распознавания 80,8%. Однако распознавание изображений, реализованное Джоном и др. был просто реализован с помощью общих программных алгоритмов [144]. В 2013 году был экспериментально продемонстрирован классификатор восприятия, реализованный с реалистичной пассивной мемристивной схемой перекладины из диоксида титана 2×10 [145]. В этой работе была представлена демонстрация концепции для аппаратных ANN на основе мемристоров. Позже аппаратная Рисунок 9 – А) Схема устройства и влияние света на диффузию ионов. Б) Изменения проводимости в ответ на оптические всплески в зависимости от числа импульсов при различных плотностях мощности. В) Кривые удержания, поскольку устройство многократно стимулируется электрическими всплесками в условиях темного и светлого освещения. Г) Имитация синаптических функций LTP и LTD в условиях темного и светлого освещения. А–Г) Воспроизведено с разрешения авторов [90]. Д) Схемы синаптического устройства Ag/MAPbI3 (OHP)/TO и структуры OHP. Е) Постсинаптические токи при различных условиях импульса. Д-Е) Воспроизведено с разрешения авторов [133]. 21 нейронная сеть, основанная на структуре массива 1T1R, достигла относительно высокой скорости распознавания для классификации лиц в оттенках серого [146]. Однако для широкого практического использования аппаратных сетей все еще необходимы дальнейшие исследования. Seo и др. [91] изготовили фотоэлектрическое синергетическое синаптическое устройство путем интеграции синаптического устройства с оптическим чувствительным устройством на той же гетероструктуре h-BN/WSe2 (рис. 10в). Устройство по-разному реагировало на длины волн красного (R), зеленого (G) и синего (B) света. Слой контроля веса (WCL), образованный обработкой O2 на h-BN, использовался для захвата и удаления электронов для имитации пластичности. На рисунке 10г показаны значения синаптического веса в работе оптической нейронной сети после 12-й и 600-й эпох обучения, что указывает на влияние числа эпох на эффект распознавания. Эта оптическая нейронная сеть успешно выполнила задачу распознавания цветных и смешанных чисел (1 и 4) со скоростью распознавания 90%, что указывает на значительный потенциал для применения в распознавании смешанных чисел на основе фотоэлектрических синергетических синаптических устройств. Распознавание изображений или чисел считается одним из наиболее важных приложений для синаптических устройств. В настоящее время искусственные синаптические устройства могут достигать высокой точности цифрового распознавания и способствовать применению мозгоподобных вычислений. 3.2 Логическая операция Внедрение функции логической операции в синаптические устройства повышает их способность обрабатывать информацию [11, 147]. Как показано на рис. 10д, Пи и др. [30] сконструировали кристаллическое электролюминесцентное нейросинаптическое устройство на основе кремния; логические операции “И” и “НЕ” были выполнены на основе устройств. Принцип основан на двух устройствах, которые возбуждаются двумя электрическими стимулами с напряжениями E1in и E2in. Устройства излучают свет в ответ на внешние электрические всплески, и общая световая мощность считается выходной мощностью вентилей “И” и “НЕ”. Порог был установлен заранее. Во время операций значение световой мощности измерялось после стимуляции электрическими импульсами, тем самым реализуя логические операции “И” и “НЕ”. Логические операции “NAND” и “NOR” также были реализованы в устройствах путем измерения изменений их состояний сопротивления. Тем временем Хао и др. [148] изготовили оптически стимулированное синаптическое устройство на основе гибрида DPPDTT и CsPbBr3. Логические операции “И” и “ИЛИ” были реализованы путем измерения фототоков с помощью оптических стимулов с использованием различных длин волн и интенсивности света. Ожидается, что эти независимые логические вентильные устройства будут интегрированы в логические схемы и будут играть значительную роль в сложных логических операциях. 3.3 Ассоциированное обучение Ассоциативное обучение описывает повторяющееся появление двух входных сигналов в короткие промежутки времени и формирование мозговых связей, таких как условный рефлекс и другие формы поведения [149, 150]. Эксперимент с собаками Павлова является хорошим примером условного рефлекса и поведения, которое может быть реализовано в нейроморфных вычислениях [151]. Для имитации такого поведения с помощью синаптических устройств требуются два режима возбуждающей стимуляции. Для обучения отвращению синаптические устройства должны иметь как возбуждающий, так и тормозной режимы [100]. На рисунке 10е показано синаптическое устройство транзисторного типа на основе Si NCS [100]. Когда через затвор подается непрерывная электрическая стимуляция, устройство создает долговременный потенцированный постсинаптический ток, а когда применяется оптическая стимуляция, устройство создает 22 долговременный подавленный постсинаптический ток. Следовательно, обучение отвращению может быть смоделировано на основе этого свойства. Обучение отвращению обычно используется при лечении людей с алкогольной зависимостью (рис. 10ж). Во время первоначального пристрастия человека к алкоголю мозг переходит в возбужденное состояние после употребления алкоголя. Чтобы вылечить такое поведение, пациентам нужно сначала выпить алкоголь, а затем вызвать рвоту, приняв эметин. После повторного употребления алкоголя и приема эметина пациенты испытывают большее отвращение к алкоголю. Применение электрической стимуляции к синаптическому устройству с последующей световой стимуляцией аналогично процессу употребления пациентом алкоголя и приема эметина, который может реализовать имитацию обучения отвращению (рис. 10ж). Рисунок 10 – А) Синаптические устройства на основе галогенидных перовскитов, включая MAPbBr3, FAPbBr3 и CsPbBr3. Б) Распознавание рукописных цифр с помощью нейронной сети на основе синаптических устройств. А-Б) Воспроизведено с разрешения ссылки [143]. В) Оптико-нейронное синаптическое устройство на основе гетероструктуры h-BN/Ws2. Синаптические значения изменяются в зависимости от увеличения числа тренировок. В-Г) Воспроизведено с разрешения ссылки [91]. Д) Электролюминесцентные синаптические устройства на основе SINCS. Воспроизведено с разрешения ссылки [30]. Синтезаторное устройство на основе транзисторов F Si NC. Е) Изучение отвращения к устройствам, используемым для лечения людей, зависимых от алкоголя. Д-Е) Воспроизведено с разрешения ссылки [100]. Ж) Фотонный синапс MoS2 в качестве временного фильтра. Воспроизведено с разрешения ссылки [102]. З) Изображение цветка после повышения резкости с помощью фильтра высоких частот. Воспроизведено с разрешения авторов [108] 23 3.4 Фильтрация Фильтрация является важной функцией синапсов головного мозга [9]. Этот процесс связан с синаптической функцией SRDP, которая важна для построения искусственной нейронной сети, реализующей функцию фильтрации. Эта функция была реализована как в оптически стимулируемых, так и в электрически стимулируемых синаптических устройствах [102, 108, 152]. На рис. 10з показана функция временного колебания синаптического устройства, построенного Цзяном и др. [102] на основе горизонтальной структуры MoS2. При заданной непрерывной световой стимуляции частотой 50 Гц EPSC синаптического устройства увеличивался, тогда как IPSC уменьшался при частоте 2 Гц. Исходя из этого, синаптические устройства могут использоваться в качестве фильтров высоких и низких частот. На рисунке 10и показано конкретное применение синаптического устройства в качестве фильтра высоких частот для повышения резкости изображения на частоте среза 4,8 Гц, что делает изображение более четким [108]. Это указывает на то, что синаптические устройства потенциально могут осуществлять эффективную передачу информации с помощью соответствующих характеристик колебаний в искусственной нейронной сети. 4 ПЕРСПЕКТИВЫ: В последние годы для изготовления синаптических устройств было использовано множество функциональных материалов. Эти синаптические устройства имеют различные показатели производительности, такие как ширина импульса, размер устройства, потребление энергии, полнота достигнутых синаптических функций, динамический диапазон, количество состояний, линейность изменения веса, удержание и выносливость [28]. Каждый из этих параметров должен соответствовать соответствующим требованиям в качестве синапсов в нейронных сетях для эффективных нейроморфных вычислений. Список типичных синаптических устройств, включая параметры деталей, приведен в таблице 1. В контексте синаптических устройств динамический диапазон синаптических устройств относится к отношению текущего значения состояния высокой проводимости к значению состояния низкой проводимости. Динамический диапазон синаптического веса для синаптических устройств должен составлять не менее 100, что соответствует требованиям биологических синапсов [14]. В настоящее время динамический диапазон в ответ на электрические и оптические импульсы получил некоторый прогресс и может соответствовать требованиям, предъявляемым к некоторым устройствам. Однако для широкого применения нейроморфных вычислений необходимы дальнейшие работы. Для внешних непрерывных импульсов существует множество состояний (20-200) между наименьшими и наибольшими синаптическими весами для синаптических устройств, которые отражают природу биологических кумулятивных воздействий на внешние импульсы [28]. Кроме того, ожидается, что изменение синаптических весов будет линейным с количеством импульсов, что важно для обработки информации в искусственной нейронной сети [14, 153]. В настоящее время количество состояний и линейность синаптических весов уступают большинству синаптических устройств с электрической и оптической стимуляцией. Значительные усилия должны быть направлены на улучшение этих свойств, например, путем добавления слоев, блокирующих миграцию ионов, и увеличения возможностей улавливания носителей в устройствах. Что касается характеристик сохранения и долговечности традиционных мемристоров с поперечной решеткой, то время хранения может достигать уровня года, а долговечность может находиться в диапазоне 108-1013, что может соответствовать требованиям приложений в нейроморфных вычислениях [28]. Исследования нейросинаптических устройств, основанных на оптических импульсах, начались относительно поздно, и показатели 24 удержания и выносливости пока уступают, но ожидается, что в ближайшем будущем будет достигнут прогресс. Это требует исследования и применения различных оптических мемристоров в нейроморфных вычислениях. Следует отметить, что требования к времени хранения синаптических устройств в основном зависят от их применения [15]. Если нейронные сети обучаются онлайн, веса в таких сетях быстро обновляются, а производительность удержания синаптических устройств менее строгая [14].Размер синаптического устройства является одним из ключевых параметров, который может определить степень интеграции. Чем меньше размер устройства, тем выше простота интеграции. Плотность синапсов в нейронной сети человеческого мозга составляет около 109 мм−3, а физический размер каждого синапса составляет около 20 нм [28]. Размер синаптического устройства также должен быть в пределах этого диапазона величин для создания искусственной нейронной сети. В настоящее время физический размер материалов с резистивным изменением и фазовым изменением может быть уменьшен до менее 10 нм [15], что способствует созданию искусственных синаптических устройств с той же величиной, что и биологические синапсы. Как показано в таблице 1, размер электрически стимулируемых синаптических устройств может достигать менее 100 нм. Оптически стимулированные и фотоэлектрические синергетические синаптические устройства все еще относительно велики [20], при этом размеры остаются выше микронного уровня (таблица 1). Такой большой размер связан со слабой чувствительностью и реакцией устройств на внешние оптические импульсы. Потребление энергии также является важным параметром для моделирования синаптических функций. Нейронная сеть человеческого мозга состоит из ~ 1013 нейронов и ~ 1015 синапсов. При нормальных обстоятельствах активируется 1% нейронов и синапсов в нейронной сети мозга. Следовательно, вся потребляемая мозгом мощность составляет около 20 Вт, а потребляемая мощность каждого синапса в мозге составляет около 10-13 Вт. Если время каждого синаптического события составляет около 100 мс, то потеря энергии составляет 10 Фдж. В таблице 1 показано энергопотребление различных типичных синаптических устройств на сегодняшний день. Большинство существующих синаптических устройств с электрической стимуляцией или оптической стимуляцией потребляют энергию выше пикоджоуля (PJ) и не могут удовлетворить требованиям высокопроизводительных вычислений при потреблении энергии ниже 10 Фдж. Синаптические устройства также должны соответствовать требованиям к внешней ширине импульса. В общем случае ожидается, что длительность импульса составит τ<1 мс [28]. Чем короче длительность импульса, тем выше может быть эффективность обучения. В настоящее время длительность импульса устройств с электрической стимуляцией составляет порядка микросекунд. Однако ширина импульса оптически стимулированных синаптических устройств относительно велика (таблица 1) и не может удовлетворить потребности высокопроизводительных вычислений. Размер и время программирования синаптических устройств с электрической стимуляцией превосходят таковые у устройств с оптической стимуляцией, в то время как потребление энергии по-прежнему велико как для устройств с электрической стимуляцией, так и для устройств с оптической стимуляцией. Электрически стимулированные синаптические устройства могут имитировать относительно полные синаптические функции, включая EPSC, IPSC, LTP, LTD и STDP, тогда как для оптически стимулированных синаптических устройств имитация синаптических функций, связанных с депрессией, всегда была трудной для реализации (таблица 1). Такая трудность обусловлена повышенной проводимостью устройств с оптической стимуляцией, возникающей в результате генерации носителей в ответ на внешние оптические импульсы, что затрудняет имитацию синаптических функций, таких как IPSC. Синаптические 25 устройства должны иметь синаптическую функцию IPSC, что является неизбежным требованием для реализации имитации важных синаптических функций, таких как LTD и асимметричный STDP. Таким образом, скоординированное регулирование оптической и электрической стимуляции для изменения электрических свойств устройств и достижения синаптических функций, таких как IPSC / LTD, должно стать тенденцией исследований.Учитывая фактические характеристики, следует приложить большие усилия для улучшения фотоэлектрического преобразования и запоминающих свойств для исследований наноразмерных синаптических устройств. Кроме того, синаптические устройства, основанные на фазовом переходе, улавливании носителей, миграции ионов и сегнетоэлектрических эффектах, заслуживают большего внимания, поскольку они очень подходят для имитации синаптических функций LTD и STDP, основанных на фотоэлектрическом синергетическом эффекте. Кроме того, ожидается изучение новых архитектур, подтверждающих концепцию, а также принципов, основанных на оптических и электрических сигналах, в устройствах для эффективных нейроморфных вычислений будущего. Они могли бы устранить такие недостатки, как плохая линейность LTP, а также высокое энергопотребление синаптических устройств с электрической и оптической стимуляцией. Они также могли бы решить проблемы, связанные с размером устройства и временем программирования, а также имитировать функции IPSC для оптически стимулируемых синаптических устройств. Кроме того, может потребоваться разработка новых алгоритмов или нейронных сетей, которые используют уникальные свойства этих запоминающих устройств для нейроморфных вычислений. Построение аппаратных нейронных сетей для нейроморфных вычислительных систем - это, по сути, интеграция мемристивных массивов. В настоящее время, учитывая паразитный ток мемристивных систем на основе поперечных решеток [156], помехозащищенность нейронных сетей на аппаратной основе может быть крайне низкой. Это является серьезной проблемой в приложениях системы, приводящей к возможным ошибкам считывания и увеличению энергопотребления в процессе обучения. Для решения проблемы с паразитным током требуется устройство выбора, такое как транзистор или селектор, подключенный последовательно с мемристором (массивы 1T1R или 1S1R). Однако следует отметить, что все пассивные решетки с поперечной балкой, 1T1R и 1S1R сталкиваются с некоторыми общими проблемами, такими как падение ИК-излучения, вызванное длинными электродными проводами в крупномасштабных решетках, что указывает на необходимость дальнейших соображений. Кроме того, можно было бы рассмотреть возможность создания синаптических устройств с превосходными выпрямляющими свойствами, что имеет решающее значение для развития будущих нейроморфных вычислений. 26 Таблица 1 - Показатели производительности репрезентативных синаптических устройств (2 T: 2 терминала, 3 T: 3 терминала) Стимуляция Электрическая Материалы (структуры) Механизм Размер (диаметр/ширина × длина) Потребление энергии Время LTP (динамический диапазон/ LTD (динамический диапазон/ STDP 𝐴𝑔|𝐺𝑒𝑆2 |𝑊 (2𝑇) [44] Миграция иона 200 нм 500 нс √(1000)/√(1000)/√ 𝐴𝑔|𝑎: 𝑆𝑖|𝑊 (2𝑇) [60] Миграция иона 100 нм 1800-3100 пДж 720 пДж √(15)/√(7)/√ 2𝐷 ℎ𝐵𝑁 (2𝑇) [85] Миграция иона 10 мкм × 10 мкм - 300 мкс 20 мкс 𝑃𝐶𝑀𝑂 (2𝑇) [154] Миграция иона 150 нм 6-600 пДж 10 мкс √(1000)/√(1000)/√ 𝐼𝐺𝑍𝑂|𝑆𝑖𝑂2 (3𝑇) [155] Миграция иона 150 мкм × 1 мм 0.23 пДж 150 мс √(4)/–/– Смена фазы 300 нм 121-1552 пДж 50 нс √(10)/√(400)/√ 2𝐷 𝐿𝑖 + |𝑀𝑜𝑆2 (3𝑇) [87] 𝐵𝐹𝑂|𝐶𝐶𝑀𝑂 (2𝑇) [39] Смена фазы Сегнетоэлектрический 7 мкм × 21 мкм 180 нм - 1 мс 100 нс √(5.6)/√(5.6)/– √(20)/–/√ 𝑃𝑏(𝑍𝑟, 𝑇𝑖)𝑂3 (3𝑇) [38] 𝑃𝑉𝑃𝑦|𝐴𝑢 𝑁𝑃𝑠(2𝑇) [42] Сегнетоэлектрический Ловушка 5 мкм × 200 мкм 5 мкм × 5 мкм - 1 мс 100 мс √(4.7)/√(5)/√ √(7.5)/√(7.5)/– 𝐴𝑢𝑁𝑃𝑠|𝑝𝑒𝑛𝑡𝑎𝑐𝑒𝑛𝑒 (3𝑇) [79] Ловушка 5 мкм × 1000 мкм 5 мкДж 2с √(16)/√(16)/– 2𝐷 𝑊𝑆𝑒2 𝑎𝑛𝑑 𝑀𝑜𝑆2 (3𝑇) [88] 𝑁𝑏: 𝑆𝑟𝑇𝑖𝑂3 (2𝑇) [25] Ловушка 5 мкм × 20 мкм Ионизация кислородной 100 мкм вакансии - 20 мс 0.5 с √(23)/√(23)/– √(2.3)/–/– 𝐺𝑆𝑇 (2𝑇) [74] Оптическая 27 √(20)/√(20)/√ Ионизация кислородной 180 мкм × 70 мкм вакансии - 5с √(3.7)/–/Symmetry Смена фазы Ловушка Ловушка Ловушка Миграция иона Ловушка 9 мкм × 9 мкм 2 мм × 2 мм 30 мкм × 30 мкм 1 мм × 1 мм 100 мкм - 4.8 пДж 0.14 пДж 0 фДж 1.9 нДж 0.2 нДж 2с 2с 50 мс 1 мс 0.4 с 1с √(2)/–/– √(6.3)/√(3.3)/– √(3.4)/–/– √(9.8)/–/– √(26)/√(26)/– √(1.9)/√(1.8)/– 𝑀𝐴𝑃𝑏𝐼3 |𝑆𝑖 𝑁𝐶𝑠 (3𝑇) [97] Ловушка 25 мкм × 500 мкм 1 пДж 200 мс √(2.5)/√(4.6)/– 𝐶𝑠𝑃𝑏𝐵𝑟3 |𝑝𝑒𝑛𝑡𝑎𝑐𝑒𝑛𝑒 (3𝑇) [137] 2𝐷 𝑀𝑜𝑆2 (3𝑇) [139] Ловушка Ловушка 0.5 мм × 1 мм 10 мкм × 15 мкм 1.4 нДж - 1с 100 мс √(2.2)/√(1.7)/– √(100)/√(100)/– 𝐼𝐺𝑍𝑂 (3𝑇) [92] Синергия 𝑀𝑜𝑂𝑥 (2𝑇) [17] 𝑆𝑖 𝑁𝐶𝑠 (2𝑇) [20] 𝑀𝐴𝑃𝑏𝐼3 |𝑆𝑖𝑁𝐶𝑠 (2𝑇) [108] 2D (𝑃𝐸𝐴)2 𝑆𝑛𝐼4 (3𝑇) [127] [ 𝐴𝑔|𝑀𝐴𝑃𝑏𝐼3 |𝐼𝑇𝑂 (2𝑇) [133] 𝑍𝑛𝑂|𝐼𝑛2 𝑂3 (2𝑇) [94] 28 5 ВЫВОДЫ: В этом исследовании анализировались и обсуждались синаптические устройства, основанные на импульсах оптических и электрических сигналов. В соответствии с режимом стимуляции сигнала устройства были разделены на электрически стимулируемые, оптически стимулируемые и фотоэлектрические синергетические синаптические устройства. В этом документе подробно обсуждались соответствующие принципы работы различных синаптических устройств, прогресс и приложения. Основной механизм синаптических устройств основан на свойствах мемристивных систем. За исключением синаптических устройств на основе сегнетоэлектриков и миграции ионов металлов, которые связаны только с электрическими импульсами, все другие механизмы, такие как фазовый переход, захват и высвобождение носителей, а также миграция ионов кислорода и галогенидов, связаны как с электрическими, так и с оптическими импульсами. Стоит отметить, что фотоэлектрический эффект существует в сегнетоэлектрических материалах. Ожидается, что оптические импульсы будут стимулировать сегнетоэлектрические материалы для имитации синаптических функций. Синаптические устройства с электрической стимуляцией обладают многими преимуществами, такими как полное моделирование синаптических функций, масштабируемость устройств и хорошая долговечность. Однако самыми большими недостатками синаптических устройств с электрической стимуляцией являются высокое энергопотребление, ограниченное количество изменений веса и плохая линейность поведения LTP. Очевидно, что для решения этих проблем необходима дальнейшая разработка устройств. В оптически стимулированных синаптических устройствах оптические сигналы обладают преимуществами высокой пропускной способности и высокой скорости распространения и могут непосредственно имитировать зрение для распознавания цветов. Однако площадь устройства и ширина оптических импульсов все еще велики, а энергопотребление велико. Кроме того, в этих устройствах трудно реализовать имитацию функции IPSC. Для применения этих синаптических устройств необходимы дальнейшие исследования по улучшению этих синаптических свойств и повышению линейности поведения LTP за счет поиска превосходных материалов и структур для фотоэлектрического преобразования. В последнее время фотоэлектрические синергетические синаптические устройства продемонстрировали некоторый прогресс в имитации функций IPSC/LTD и снижении энергопотребления. Это обеспечивает возможность того, что устройство может обладать функциями LTP и LTD, которые используют преимущества как электрических, так и оптических сигналов для регулирования свойств устройств. Поэтому новые материалы и архитектуры, основанные на превосходных оптических и электрических свойствах (например, перовскит и двумерные слоистые материалы), заслуживают изучения для фотоэлектрических синергетических синаптических устройств. В связи с потребностями интеграции синаптические устройства с выпрямляющими свойствами заслуживают изучения путем изучения различных устройств гетероперехода. Ожидается, что они внесут значительный вклад в крупномасштабное внедрение нейроморфных вычислений. 29
