开发超可扩展的人工突触

由新加坡科技与设计大学 (SUTD) 助理教授 Desmond Loke 领导的研究小组开发了一种基于二维 (2D) 材料的新型人工突触，用于高度可扩展的类脑计算。

模仿人脑功能的类脑计算因其在人工智能功能和低能耗方面的应用而引起了科学界的广泛关注。为了让受脑启发的计算发挥作用，记住两个神经元之间连接的突触是必要的，就像人脑一样。

在发育中的大脑中，突触可以分为功能性突触和沉默突触。对于功能性突触，突触是活跃的，而对于沉默突触，突触在正常条件下是不活跃的。而且，当沉默突触被激活时，它们可以帮助优化神经元之间的连接。然而，由于建立在数字电路上的人工突触通常占据较大的空间，因此在硬件效率和成本方面通常存在限制。由于人脑包含大约一百万亿个突触，因此需要提高硬件成本才能将其应用于智能便携式设备和物联网(IoT)。

为了解决这个问题，SUTD 研究团队使用 2D 材料模拟了功能性和无声突触的行为。此外，这种人工突触首次证明它可以用相同的设备来实现，该设备既可以作为功能性突触，也可以作为静默突触使用。

Loke 助理教授提到，这项工作可以通过用单个设备替换基于复杂数字电路的功能性和静默突触，从而显着降低硬件成本。“我们已经证明可以使用单个设备实现功能性和无声突触。”

“通过使用超薄二维材料将功能性突触和无声突触集成到同一设备中，人工突触的硬件成本将显着降低，这将推动类脑硬件的商业化，”Loke 助理教授补充道。

从神经生物学的角度来看，沉默突触在突触前神经元接受持续刺激时不会产生兴奋行为，因为它们含有 N-甲基-D-天冬氨酸 (NMDA) 受体，但它们缺乏 α-氨基-3-羟基-5-甲基- 4-异恶唑丙酸 (AMPA) 受体。然而，沉默突触可以被激活成为功能性突触，在连续刺激后插入 AMPA 受体时对刺激做出反应。

受通过插入 AMPA 受体激活沉默突触的生物学机制的启发，通过在二维硒化铟材料系统中引入硫阴离子，可以实现从沉默突触到设备中功能性突触的转变。硒化铟中的硫阴离子可以在电场下迁移并表现出功能性突触可塑性。该器件基于完全硫化类型的系统，在室温下表现出明显的忆阻行为，可用于实现功能性突触。可以使用部分硫化类型的系统通过修改温度来证明沉默突触的激活。

这项研究发表在ACS Applied Materials & Interfaces

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