检索结果-内蒙古大学图书馆

控制与决策 2021年第1期36卷 1-26页

作者：胡一凡李国齐吴郁杰邓磊清华大学类脑计算研究中心北京100084 加州大学圣塔芭芭拉分校电子与计算机工程系美国CA 93106

近年来,起源于计算神经科学的脉冲神经网络因其具有丰富的时空动力学特征、多样的编码机制、契合硬件的事件驱动特性等优势,在神经形态工程和类脑计算领域已得到广泛的关注.脉冲神经网络与当前计算机科学导向的以深度卷积网络为代表的... 详细信息

近年来,起源于计算神经科学的脉冲神经网络因其具有丰富的时空动力学特征、多样的编码机制、契合硬件的事件驱动特性等优势,在神经形态工程和类脑计算领域已得到广泛的关注.脉冲神经网络与当前计算机科学导向的以深度卷积网络为代表的人工神经网络的交叉融合被认为是发展人工通用智能的有力途径.对此,回顾了脉冲神经网络的发展历程,将其划分为神经元模型、训练算法、编程框架、数据集以及硬件芯片等5个重点方向,全方位介绍脉冲神经网络的最新进展和内涵,讨论并分析了脉冲神经网络领域各个重点方向的发展机遇和挑战.希望本综述能够吸引不同学科的研究者,通过跨学科的思想交流与合作研究,推动脉冲神经网络领域的发展.

关键词：脉冲神经网络神经网络类脑计算神经形态计算深度学习人工通用智能

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基于标准CMOS工艺的光电浮栅突触研究

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天津大学学报（自然科学与工程技术版） 2022年第7期55卷 701-705页

作者：谢生高旭斌毛陆虹天津大学微电子学院天津300072 天津市成像与感知微电子技术重点实验室天津300072 天津大学电气自动化与信息工程学院天津300072

作为神经形态视觉感知系统的基本单元,光电突触需实现光敏和突触双重功能.本文基于TSMC 180 nm标准CMOS工艺提出了一种由两个PMOS晶体管构建的光电浮栅突触结构,并利用浮栅电压表征突触权重.其中,一个PMOS管工作在光电混合模式,在光信... 详细信息

作为神经形态视觉感知系统的基本单元,光电突触需实现光敏和突触双重功能.本文基于TSMC 180 nm标准CMOS工艺提出了一种由两个PMOS晶体管构建的光电浮栅突触结构,并利用浮栅电压表征突触权重.其中,一个PMOS管工作在光电混合模式,在光信号和电信号的刺激下,突触的浮栅电压分别呈现增加和降低特性,以此实现突触的兴奋性和抑制性功能;另一个PMOS管工作在隧穿模式,并通过Fowler-Nordheim(FN)隧穿机制修正突触权重.基于光电浮栅突触的电路模型,设计了用于像素识别的单元电路,搭建了3×3的像素阵列,并分析了无噪声和有噪声两种情形下的二值图像“+”识别.仿真结果表明,在基础光强为0 mW/cm^(2)和75 mW/cm^(2)的无噪情形和引入0.5 mW/cm^(2)噪声的有噪情形下,所设计的光电浮栅突触均可实现二值图像识别,并具有一定的抗噪声能力.

关键词：神经形态计算 CMOS 光电突触浮栅突触权重

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精细神经网络仿真方法研究进展

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中国图象图形学报 2023年第2期28卷 358-371页

作者：张祎晨黄铁军北京大学计算机学院北京100871 北京大学人工智能研究院北京100871

树突对大脑神经元实现不同的信息处理功能有着重要作用。精细神经元模型是一种对神经元树突以及离子通道的信息处理过程进行精细建模的模型,可以帮助科学家在实验条件的限制之外探索树突信息处理的特性。由精细神经元组成的精细神经网... 详细信息

树突对大脑神经元实现不同的信息处理功能有着重要作用。精细神经元模型是一种对神经元树突以及离子通道的信息处理过程进行精细建模的模型,可以帮助科学家在实验条件的限制之外探索树突信息处理的特性。由精细神经元组成的精细神经网络模型可通过仿真对大脑的信息处理过程进行模拟,对于理解树突的信息处理机制、大脑神经网络功能背后的计算机理具有重要作用。然而,精细神经网络仿真需要进行大量计算,如何对精细神经网络进行高效仿真是一个具有挑战的研究问题。本文对精细神经网络仿真方法进行梳理,介绍了现有主流仿真平台与核心仿真算法,以及可进一步提升仿真效率的高效仿真方法。将具有代表性的高效仿真方法按照发展历程以及核心思路分为网络尺度并行方法、神经元尺度并行方法以及基于GPU(graphics processing unit)的并行仿真方法3类。对各类方法的核心思路进行总结,并对各类方法中代表性工作的细节进行分析介绍。随后对各类方法所具有的优劣势进行分析对比,对一些经典方法进行总结。最后根据高效仿真方法的发展趋势,对未来研究工作进行展望。

关键词：神经形态计算大脑仿真树突计算精细神经元模型精细神经网络仿真

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生物技术启发下的信息技术革新

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中国科学院院刊 2020年第1期35卷 43-51页

作者：汪洋陈枢舒魏鑫孔丽华洪学海廖方宇中国科学院计算机网络信息中心信息化发展战略与评估中心北京100190 中国科学院计算机网络信息中心北京100190 中国科学院计算技术研究所北京100190

仿生概念将生物学和工程技术结合在一起,以最灵活、最高效、最可靠、最经济的方式,为人们改善和创造新的技术设备、促进技术革新、解决技术难题提供新原理、新方法和新途径。在大数据与智能化的时代背景下,信息技术虽不断向前发展但仍... 详细信息

仿生概念将生物学和工程技术结合在一起,以最灵活、最高效、最可靠、最经济的方式,为人们改善和创造新的技术设备、促进技术革新、解决技术难题提供新原理、新方法和新途径。在大数据与智能化的时代背景下,信息技术虽不断向前发展但仍然面临诸多挑战,海量数据爆发式增长带来的存储、计算和分析需求,以及随其而来的能耗、效能挑战,迫切需要信息技术寻求新的发展方向。借助生物技术的启发,从生物结构中寻找信息技术革新方案,正成为国际前沿研究方向。DNA数据存储和神经形态计算,作为当前活跃的新兴研究领域,是两个具有代表性的方向,未来发展前景十分广阔。文章主要从这两个方向的发展现状及趋势出发,尝试分析受生物技术启发的信息技术发展的动因、趋势及前景。未来20年,将是生命领域与信息领域交叉融合的重要时间窗口。通过向生命系统学习和模拟,以及借鉴生物技术研究提供的新思路、新原理和新理论,信息领域将会产生若干颠覆性的技术与应用,并影响整个学术界与产业界。

关键词：信息技术 DNA存储人工智能神经形态计算类脑芯片仿生学

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氯仿改性聚(3-己基噻吩)有机电化学晶体管及其神经突触功能模仿

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功能高分子学报 2023年第4期36卷 358-364,I0003页

作者：蒋倩孙翠郭哲成刘雪蓉孙启浩段吉鹏朱小健李润伟中国科学院宁波材料技术与工程研究所浙江宁波315201 中国科学院大学北京100049 宁波大学信息科学与工程学院浙江宁波315211

通过旋涂法制备了有机半导体聚(3-己基噻吩)(P3HT)薄膜,在二氯苯溶剂中引入氯仿对P3HT薄膜进行改性。以改性的P3HT薄膜作为沟道层,以离子凝胶作为电解质层制备了有机电化学晶体管(OECT)。通过原子力显微镜、紫外-可见光谱和拉曼光谱探... 详细信息

通过旋涂法制备了有机半导体聚(3-己基噻吩)(P3HT)薄膜,在二氯苯溶剂中引入氯仿对P3HT薄膜进行改性。以改性的P3HT薄膜作为沟道层,以离子凝胶作为电解质层制备了有机电化学晶体管(OECT)。通过原子力显微镜、紫外-可见光谱和拉曼光谱探究了氯仿改性对P3HT薄膜粗糙度和分子有序度的影响,采用半导体参数仪研究了氯仿改性对材料电学性能的影响。实验结果表明,氯仿改性降低了P3HT薄膜的粗糙度,提高了分子排列的有序度。氯仿改性后的OECT在−0.5 V和−1.0 V的电脉冲刺激下呈现显著的神经突触兴奋脉冲电流响应特性,相比于未改性的器件,电导调控幅值分别增加了约2倍和16倍,且延长了其保持特性。基于氯仿改性OECT的人工神经突触网络将MNIST手写数字识别准确率从73.6%提高至92.7%,有望在高性能神经形态计算方面发挥重要作用。

关键词：有机电化学晶体管 P3HT 突触可塑性人工神经网络神经形态计算

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有机光电突触材料、器件及应用

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功能高分子学报 2022年第1期35卷 5-18页

作者：郭延博刘钢上海交通大学电子信息与电气工程学院微纳电子学系类脑与智能仿生器件实验室上海200240

随着大数据和物联网(IoTs)的迅猛发展,人工智能(AI)技术受到了广泛关注。可克服冯·诺依曼瓶颈和提高串行计算机性能的光电神经形态器件在半导体器件和集成电路领域的发展迅猛。光信号具有低功耗、低串扰、高带宽和低计算要求等优点... 详细信息

随着大数据和物联网(IoTs)的迅猛发展,人工智能(AI)技术受到了广泛关注。可克服冯·诺依曼瓶颈和提高串行计算机性能的光电神经形态器件在半导体器件和集成电路领域的发展迅猛。光信号具有低功耗、低串扰、高带宽和低计算要求等优点,可视为额外端口以丰富突触可塑性的调节自由度。光电器件的光电性能在很大程度上依赖于光电材料的设计、制备。其中,有机材料具备分子多样性、成本低、易加工、机械柔韧性以及与柔性基板兼容等优点,是构建高性能光电突触器件的重要材料载体。本文从有机材料出发,介绍了其在光电器件和视觉仿生领域应用的最新进展,并讨论了当前的应用挑战和未来发展趋势。

关键词：有机材料有机-无机杂化材料光电器件光电突触神经形态计算

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氧化钨-氧化锌忆阻器的制备及其神经突触特性

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济南大学学报（自然科学版） 2024年第3期38卷 362-368页

作者：李守亮岳文静李阳济南大学信息科学与工程学院山东济南250022

为了实现忆阻器在神经形态计算中的应用,采用射频磁控溅射技术,在氧化铟锡导电玻璃衬底上依次生长氧化钨、氧化锌异质结的阻变层和银顶电极,制备氧化钨-氧化锌忆阻器,对制得忆阻器的结构、化学组成及电学性能进行表征和测试。结果表明:... 详细信息

为了实现忆阻器在神经形态计算中的应用,采用射频磁控溅射技术,在氧化铟锡导电玻璃衬底上依次生长氧化钨、氧化锌异质结的阻变层和银顶电极,制备氧化钨-氧化锌忆阻器,对制得忆阻器的结构、化学组成及电学性能进行表征和测试。结果表明:制得的忆阻器具有类似生物的神经突触特性,阻变行为由界面势垒调控机制主导作用;制得的忆阻器交叉阵列用于分类识别的平均正确率达到86.3%,接近中央处理器网络的平均正确率87.4%,可用于神经形态计算。

关键词：忆阻器神经突触射频磁控溅射神经形态计算分类识别神经网络

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基于V/VOx/HfWOx/Pt多模器件的全忆阻脉冲神经网络研究

基于V/VOx/HfWOx/Pt多模器件的全忆阻脉冲神经网络研究

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作者：付瑶瑶华中科技大学

学位级别：博士

基于新兴存储技术的神经形态计算为克服冯·诺依曼瓶颈提供了可行方案。利用忆阻器件的模拟式存储、动态开关等特性以模拟突触和神经元功能,可有效提高神经形态计算架构的能源与面积效率。本文主要针对全忆阻神经网络中神经形态器... 详细信息

基于新兴存储技术的神经形态计算为克服冯·诺依曼瓶颈提供了可行方案。利用忆阻器件的模拟式存储、动态开关等特性以模拟突触和神经元功能,可有效提高神经形态计算架构的能源与面积效率。本文主要针对全忆阻神经网络中神经形态器件间工艺、性能及参数失配等关键问题,通过材料掺杂改性、制备方法创新及量测方法优化等手段提高忆阻器件的可靠性与神经形态特性。同时针对脉冲神经网络算法匮乏及低效等难题,基于忆阻器件快速与双向开关等特性,设计硬件友好型训练方案,系统地进行同质型全忆阻脉冲神经网络的研究。主要的研究成果如下: 在器件层面,利用HfWOx的非易失性阻变存储与VOx的易失性阈值转变特性,设计制备了同时具有存储与开关能力的多模V/VOx/HfWOx/Pt忆阻器件。具体地,通过Hf掺杂,改善WOx基阻变层的存储性能;同时优化V电极沉积过程中界面处的氧化程度,制备厚度低于5 nm的VOx薄膜。该器件无需经历电致初始化与高温退火过程,即具可重构的阻变-阈值转变切换能力。阻变模式下,器件开关比大于10～3,常温下阻态保持能力大于10～4秒,脉冲耐受能力大于1010次;阈值转变模式下,器件开关速度低于30ns,脉冲耐受能力大于1012次,具有优异的阈值电压稳定性。在功能层面,首次利用相同的V/VOx/HfWOx/Pt忆阻器件实现突触、无极性神经元功能以及神经信号交联的模拟。具体地,HfWOx阻变层中氧空位的迁移用以模拟突触可塑性,包括记忆长时程增强/抑制、脉冲时序依赖可塑性。其次,利用VOx阈值转变层中的金属相-绝缘相转变机制搭建神经元电路,在正、负电压激励下实现对称的积分、点火行为的模拟。进一步地,设计基于V/VOx/HfWOx/Pt器件的突触-神经元整合方案,通过电路优化使得神经元与突触器件间操作参数匹配,进而演示了不同突触权重对神经元激发时间和响应频率的影响。在神经形态应用层面,基于V/VOx/HfWOx/Pt器件的同质型全忆阻脉冲神经网络在MNIST与CIFAR10数据集上显示出优秀的分类能力。具体地,面向MNIST手写数字识别任务,构建基于时间编码的单层脉冲神经网络。神经元的快速激发与时间编码的引入使得网络延时（～0.5μs）与突触单次操作功耗（～10 f J）大幅降低。进一步地,面向CIFAR10分类任务,构建无极性频率编码的多层卷积脉冲神经网络。首次利用无极性神经元提取相位相反的输入信息,在不损失学习率的前提下,其突触与神经元的硬件消耗相比单极性网络分别降低75%与50%,为深度忆阻脉冲神经网络的训练提供了有效方案。

关键词：神经形态计算同质型全忆阻神经网络忆阻器阻变存储阈值转变突触无极性神经元

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碱金属和碱土金属掺杂氧化铪忆阻器的阻变机理研究

碱金属和碱土金属掺杂氧化铪忆阻器的阻变机理研究

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作者：李立恒华中科技大学

学位级别：博士

当今世界正处于数据爆炸式增长的信息时代,这对数据的高效存储、运算及传输提出了新的挑战。目前,信息存储技术面临着高密度集成、数据处理与传输速度发展不平衡这两大难题。忆阻器作为一种新型非易失性存储器件,具有功耗低、擦写速度... 详细信息

当今世界正处于数据爆炸式增长的信息时代,这对数据的高效存储、运算及传输提出了新的挑战。目前,信息存储技术面临着高密度集成、数据处理与传输速度发展不平衡这两大难题。忆阻器作为一种新型非易失性存储器件,具有功耗低、擦写速度快、可微缩性好以及易于三维集成等优势,因而备受业界关注。不仅如此,忆阻器还能够实现神经形态计算,对数据进行高速化、并行化的运算。忆阻器功能层材料种类多种多样,其中氧化铪（HfO2）因材料特性稳定可调、物理效应丰富并且与互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺兼容而成为了研究热点。同时,HfO2忆阻器还被认为是模拟生物突触的优秀候选器件。然而,HfO2忆阻器的一致性、稳定性、可靠性和电导调制的线性度需要得到进一步的提高,才能适应未来大规模的神经形态计算。目前已提出了多种优化HfO2忆阻器性能的方案,其中,掺杂是提高忆阻器性能的一种非常简单有效的方式。然而,由于对HfO2忆阻器的微观阻变机理认识不足,在掺杂元素的选择上缺乏理论指导。另一方面,目前Li掺杂忆阻器展现出了很好的电导调制特性,而且Li离子迁移势垒低、高度可逆,能够很好的模拟神经元信息传递过程。但Li离子及其同族元素掺杂器件的阻变机理研究同样匮乏。因此,为了深入理解HfO2忆阻器的微观阻变机理,探究碱金属和碱土金属掺杂对HfO2忆阻器性能的影响,本论文通过理论与实验相结合的方式,对其进行了深入研究,并得到了如下的研究成果: 首先,基于第一性原理计算研究了HfO2中氧空位的形成、迁移以及聚集特性,结果表明HfO2中氧空位在各个方向上较小的迁移势垒导致了忆阻器件较差的稳定性和保持特性。另一方面,本文通过建立全配比范围的HfOx结构模型,分析了不同氧含量下HfOx的晶体结构以及结构之间的转换关系,同时分析了不同结构的导电特性。结果表明,单斜相HfOx和四方相HfOx结构的导电细丝能够实现电导连续调制,但其结构难以维持,会坍缩形成h-Hf6O结构。而h-Hf6O结构一旦形成,器件将展现出明显的二值特性。这从理论上建立了HfO2器件电阻突变和缓变的判断依据。然后,基于第一性原理计算系统的研究了碱金属和碱土金属在HfO2中的掺杂特性,发现它们倾向于形成间隙掺杂,能够在电场作用下形成迁移,但并不会因聚集而发生氧化还原反应形成金属导电细丝,因此,掺杂后的器件依旧通过氧空位细丝的形成和断裂来实现阻变。在此基础上,进一步分析了碱金属和碱土金属掺杂对于氧空位的形成、迁移及导电特性的影响。结果表明,掺杂元素与氧空位可能存在协同迁移,增加了氧空位的迁移势垒,这有利于导电细丝形貌的维持,提高器件稳定性。同时,掺杂能够抑制氧空位的氧化还原反应,并且阻碍氧空位的聚集、防止导电细丝坍缩,从而提高器件电导调制性能及其线性度。最后,通过磁控溅射实验制备了Li、Mg和Ca掺杂HfO2忆阻器,对比其性能测试结果发现:由于Li本身迁移势垒较小,容易在热效应下发生扩散,并且对氧空位的阻碍较弱,它们之间的协同作用不强,因此,器件的阻变性能的提升并不明显;而Ca本身迁移势垒很高,对氧原子束缚太强,而导致了器件操作电压较高,阻变性能也没有明显优势;只有Mg掺杂器件展现出了更好的一致性、耐久性、保持特性以及电导调制特性,其原因就在于Mg与氧空位之间的协同作用较强。这不仅能有效的约束氧空位的迁移来提高导电细丝结构的稳定性,同时能够调节导电细丝的导电特性获得更多的中间态,从而提高电导调制的线性度及可调节范围。

关键词：忆阻器氧化铪掺杂第一性原理计算神经形态计算阻变机理

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基于铁电隧道结忆阻器的超快信息存储与存算一体研究

基于铁电隧道结忆阻器的超快信息存储与存算一体研究

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作者：马超中国科学技术大学

学位级别：博士

以大数据、人工智能、物联网、云计算、边缘计算为代表的新兴数字技术飞速发展,对数据的存储和处理提出了前所未有的高要求。现代计算机多采用数据存储和处理相分离以及多级存储的架构,需要数据在不同存储层级和处理器之间不断传输,导... 详细信息

以大数据、人工智能、物联网、云计算、边缘计算为代表的新兴数字技术飞速发展,对数据的存储和处理提出了前所未有的高要求。现代计算机多采用数据存储和处理相分离以及多级存储的架构,需要数据在不同存储层级和处理器之间不断传输,导致了不可避免地额外功耗和延时,称为“冯·诺依曼瓶颈”。同时,在现代半导体技术发展过程中,处理器和存储器的性能差距越来越大,导致了“存储墙”的问题。这些问题在未来以数据为中心的计算任务中将变得越来越严重,使得大部分的能量和时间被消耗在数据传输而不是计算上。从技术的发展规律来看,很多技术创新都是在这种需求驱动和技术瓶颈同时存在的情况下产生的。为解决上述问题,研究人员一直致力于发展新一代信息存储器件,不仅具备超快的操作速度、低能耗、非易失、高存储密度等优点,还可以原位进行数据的处理,实现存算一体功能。近几年来,在多种新兴存储原理中,基于非易失铁电极化和量子隧穿效应的铁电隧道结存储器备受关注。铁电材料的自发电荷极化方向这一内禀自由度可由外电场调控,从而可以用于非易失信息存储。铁电隧道结因其铁电极化、电阻读取等相关的原理优势,在超快、低功耗、高密度存储等方面表现突出,是发展新一代信息存储器件的重要途径,具有重要的科学意义和应用前景。本论文将以“金属/铁电/半导体”型铁电隧道结为研究对象,对其在信息存储和存算一体中的应用展开了深入地研究。主要内容概述如下:在第一章中,我们介绍了当前新兴存储原理的工作机制和面临的挑战,重点讨论了新型铁电隧道结阻变存储原理及其研究进展,并概述了基于忆阻器的存算一体(神经形态计算和存内逻辑运算)的工作原理和研究进展。在第二章中,利用腐蚀退火法和直接退火法处理SrTiO3和Nb:SrTiO3衬底,得到统一 TiO2终结面的理想表面,为后续的薄膜制备做好准备。基于脉冲激光沉积技术以及反射式高能电子衍射原位监测BaTiO3铁电薄膜的生长情况,制备高质量金属(Ag)/铁电(BaTiO3)/半导体(Nb:SrTiO3)铁电隧道结,并利用扫描透射电镜以及扫描探针显微技术进行铁电隧道结的结构表征及铁电性质研究,为后续铁电隧道结在信息存储和存算一体方面的研究奠定材料基础。在第三章中,基于隧道结能带的设计,探索其对阻变速度、开关比、操作电压等性能的调控规律,设计并制备了高质量Ag/BaTiO3/Nb:SrTiO3(Nb:0.7wt%)铁电隧道结,实现快至600 ps的写入速度,开关比可达～102,且其600 ps的写入速度在高温85℃下依然稳定。此外,写入电流密度仅为4×103A cm-2,比目前其他新兴存储原理低约2-3个量级;一个存储单元可实现32个非易失阻态,即5 bit/cell的信息存储能力。该铁电隧道结非易失存储器具有超快、超低功耗、高密度、长寿命、耐高温等优异特性,是目前综合性能最好的非易失存储器之一。更进一步地,深入讨论了铁电隧道结的超快阻变机制。在第四章中,基于高性能Ag/BTO/NSTO铁电隧道结忆阻器模拟突触的长时程可塑性以及脉冲时序依赖可塑性功能,获得适用于神经形态计算的高性能人工突触器件。针对MNIST图像识别任务,基于监督学习算法,设计并模拟构建全连接人工神经网络。以人工突触器件的实际性能结合计算机程序模拟神经网络学习和推理过程,揭示其性能(写入和读取性能)对神经网络计算结果的影响规律,从而进一步指导人工突触器件的性能优化。此外,选择匹配忆阻器读、写性能的模数转换芯片和数模转换芯片,结合现场可编程门阵列芯片,搭建板级人工神经网络计算系统。在第五章中,提出了一种高效的多比特并行存内逻辑运算方法,并在实验上基于亚纳秒操作速度和多比特非易失存储能力的高性能Ag/BTO/NSTO铁电隧道结忆阻器进行了验证。仅使用一个铁电隧道结忆阻器的4个非易失电阻状态,2-bit并行存内逻辑运算策略可并行执行2个逻辑运算,同时只需要2步操作即可实现16种完备的布尔逻辑功能,并且逻辑运算结果原位保存在忆阻器中。此外,还提出了多编码机制用于提高并行逻辑运算的高效性和灵活性。更进一步地,基于多比特存内逻辑运算方法设计了全新的二进制全加器,与传统的CMOS基全加器相比,不论是器件数量和操作步骤都要少很多,从而提升运算效率。在第六章中,总结了论文的主要研究内容,针对目前研究中需要改进的地方,展望了未来还需要进一步开展的研究。

关键词：铁电隧道结忆阻器铁电畴翻转动力学亚纳秒超快信息存储存算一体人工突触神经形态计算存内逻辑运算二进制全加器

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