在人工智能已經(jīng)炒的沸沸揚(yáng)揚(yáng)的當(dāng)下，計(jì)算機(jī)已經(jīng)能夠很好地執(zhí)行一些模擬人類大腦功能的任務(wù)，例如面部識別和語言翻譯等。然而，從本質(zhì)上來講，計(jì)算機(jī)本身還是不能像人類大腦一樣運(yùn)作。

西北大學(xué)（Northwestern University）的 Mark C.Hersam 教授說：“計(jì)算機(jī)的處理單元和內(nèi)存單元是相互獨(dú)立的，而大腦則是利用神經(jīng)元實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)功能的。與數(shù)字計(jì)算機(jī)相比，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的計(jì)算，并且能耗要低得多?！?/p>

近年來，研究人員一直致力于使計(jì)算機(jī)的運(yùn)作更具備神經(jīng)形態(tài)，或者說更“類腦”，從而更高效的執(zhí)行日益復(fù)雜的任務(wù)。日前，來自美國西北大學(xué)麥考密克工程學(xué)院（McCormick School of Engineering）下屬材料科學(xué)與工程系的 Walter P.Murphy 教授 Hersam 及其團(tuán)隊(duì)的研究成果使人類更加接近這一目標(biāo)。

Hersam 團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種稱為“記憶元件”（memtransistor）的新型器件，同時(shí)具備記憶和信息處理兩種功能，能夠像神經(jīng)元一樣運(yùn)作。這種“記憶元件”組合了憶阻器（memristor）和晶體管（transistor）的特性，同時(shí)還包含了多個(gè)運(yùn)作起來類似神經(jīng)元末梢的終端。

該研究成果 2 月 22 日在線發(fā)表于頂級期刊《自然》雜志上，Hersam 教授的博士后 Vinod K.Sangwan 和 Hong-Sub Lee 是該論文的共同第一作者。該研究獲得了美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所（National Institute of Standards and Technology， NIST）和國家科學(xué)基金會（National Science Foundation， NSF）的支持。

這種“記憶元件”是基于該團(tuán)隊(duì) 2015 年發(fā)表的研究成果實(shí)現(xiàn)的。在 2015 年的研究中，Hersam、Sangwan 及其合作者利用單層二硫化鉬（MoS2）開發(fā)出一個(gè)三終端、門可控的憶阻器，能夠?qū)崿F(xiàn)快速、可靠的數(shù)字記憶存儲功能。

憶阻器（memristor）是“記憶電阻”（memory resistor）的縮寫，是一種被動(dòng)電子元件。如同電阻器，憶阻器能產(chǎn)生并維持一股安全的電流通過某個(gè)器件。但是與電阻器不同的地方在于，憶阻器可以在關(guān)掉電源后，仍能“記憶”先前通過的電荷量。典型的憶阻器是雙端電子器件，只能控制一個(gè)電壓通道。Hersam 團(tuán)隊(duì)將憶阻器提升為三端設(shè)備，從而為憶阻器在更復(fù)雜的電子電路系統(tǒng)中的應(yīng)用（如神經(jīng)形態(tài)計(jì)算）提供了可能性。

為了進(jìn)一步研發(fā)“記憶元件”，Hersam 團(tuán)隊(duì)再次使用了原子層厚度的 MoS2 材料，并且具備輪廓清晰的晶界，因?yàn)檫@將影響電流的流動(dòng)。與木材中纖維排列的方式相似，原子在材料中排列成有序的結(jié)構(gòu)域，稱為“晶?！保╣rains）。當(dāng)外加較大電壓時(shí)，材料的晶界將促使原子產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，從而引起電阻的變化。

“因?yàn)?MoS2 只有原子層厚度，所以很容易受到外加電場的影響，”Hersam 解釋說。“這個(gè)性質(zhì)使我們能制造出晶體管。而憶阻器的特性則來自于材料中的缺陷是相對可移動(dòng)的，尤其是在晶界存在的情況下。”

不同于先前使用單片 MoS2 的憶阻器，Hersam 的團(tuán)隊(duì)此次研制的“記憶元件”所使用的是一大片連續(xù)的多晶 MoS2 薄膜，該薄膜由大量較小的 MoS2 晶片所組成。這使得研究小組能夠?qū)⒃撔滦推骷囊恍∑瑪U(kuò)大到整個(gè)晶圓上的批量化生產(chǎn)。

“只要這種器件的長度大于單個(gè)晶粒的尺寸，就能保證整個(gè)晶圓上的器件都包含有晶界，”Hersam 說?！耙虼?，我們可以在大量的此類陣列化器件中看到可重復(fù)、可門控的憶阻響應(yīng)。”

在制造出排布于整個(gè)晶圓的大量“記憶元件”之后，Hersam 團(tuán)隊(duì)又添加了額外的電接觸點(diǎn)。典型的晶體管以及 Hersam 之前開發(fā)的憶阻器各有三個(gè)終端，而在最新發(fā)表的論文中，Hersam 團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了具備七個(gè)終端的器件，其中的一個(gè)終端控制著其他六個(gè)終端之間的電流。

“這種設(shè)計(jì)更類似于大腦中的神經(jīng)元，”Hersam 說，“因?yàn)樵诖竽X中，通常一個(gè)神經(jīng)元并不是只與另一個(gè)神經(jīng)元相連。相反，一個(gè)神經(jīng)元會連接到多個(gè)其他神經(jīng)元以形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。我們開發(fā)的器件結(jié)構(gòu)就允許多個(gè)觸點(diǎn)，這類似于神經(jīng)元中的多個(gè)突觸。“

接下來，Hersam 及其團(tuán)隊(duì)正在努力使這種“記憶元件”變得更快更小。Hersam 還計(jì)劃繼續(xù)擴(kuò)大該器件的產(chǎn)率以實(shí)現(xiàn)大批量化制造的目的。

他說：“我們認(rèn)為這種記憶元件有望成為新型神經(jīng)形態(tài)計(jì)算的基本電路元件。然而，制造 10 億個(gè)這樣的元件，與制造幾十個(gè)這樣的元件是大大不同的，我們目前還是基于傳統(tǒng)的晶體管技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的。到目前為止，我們還沒有預(yù)見任何妨礙我們的方法進(jìn)一步擴(kuò)大量產(chǎn)的根本性障礙。”