忆阻器类脑芯片：模拟生物功能实现新跨越

在当今科技飞速发展的时代，人工智能、物联网等新技术如雨后春笋般涌现，对计算和存储能力提出了更高的要求。然而，现阶段计算与存储分离的 “冯・诺依曼” 体系在功耗和速率方面已逐渐难以满足这些新技术的发展需求。在此背景下，存算一体化的类脑计算方案成为了研究的热点，有望解决这一难题。

近日，山东大学集成电路学院 / 未来技术学院钱凯教授团队在 “忆阻器类脑芯片” 领域取得了令人瞩目的新进展。他们成功研发出一种基于 ITO 电极与非晶态铟铝锌氧化物（a - IAZO）的透明多功能忆阻器。该成果以 “Transparent multifunctional memristor based on amorphous InAlZnO for biomimetic sensing system” 为题发表在 Applied Physics Letters 期刊（中科院二区）。钱凯教授为论文通讯作者，集成电路学院博士研究生许艺萌为论文第一作者，山东大学为该论文第一完成单位。

图1生物伤害感知系统和人工伤害感受系统示意图

图2忆阻器伤害感受器功能（“阈值激发”“不适应”“松弛”和“敏化”）展示以及人工伤害感受系统功能（无痛、轻度疼痛、强烈疼痛下的感知）演示

神经形态感知系统因其与生物系统相似的感知能力而备受关注，它是连接人工系统与现实世界的关键接口。其中，伤害感受系统在生物体生存中起着至关重要的作用，能够检测并响应有害刺激，激活防御机制。为了在人工系统中复制这种复杂的伤害感受功能，研究人员一直致力于开发能够模拟生物神经元、伤害感受器和突触行为的神经形态设备。

忆阻器作为一种新型微电子基础器件，具有诸多优良特性。其电阻可通过外场连续调节，并且具有非易失性、小尺寸、低能耗、高速和 CMOS 兼容等特点，被认为是快速实现存算一体化计算最具潜力的类突触器件。同时，光电子器件和神经元遵从动力学数学同构性，借助这种同构性可用光电子器件模拟神经元行为并实现类脑计算。基于光子器件的类脑芯片正朝着更高集成度、更低功耗、更高性能的方向发展，在类脑计算领域的重要性日益凸显。

特别是基于多元氧化物的忆阻器，在模拟易失性和非易失性行为方面表现出色，能够实现电子伤害感受器、突触和神经形态网络的开发。钱凯教授团队开发的基于 a - IAZO 薄膜作为阻变介质层的透明多功能忆阻器，具备易失性和非易失性的双重特性，能够全面模拟生物突触和伤害感受功能（如图 1 所示）。

a - IAZO 忆阻器展现出易失性特性，模拟了关键的伤害感受器行为，如 “阈值激发”“不适应”“松弛” 和 “敏化”（如图 2 所示）。通过精确控制限流，团队进一步实现了非易失性性能，电阻态可通过电脉冲调节，以模拟突触的关键功能，如短时记忆、长时记忆和长期记忆增强抑制。此外，他们将这种多功能 a - IAZO 忆阻器集成到人工伤害感知系统中，用于外部有害刺激的感知，充分展示了其在人工感知系统应用中的巨大潜力。

值得一提的是，在基于 ITO 电极忆阻器类脑芯片方面，博士研究生许艺萌前期做了系统深入的机理与神经形态应用方面研究，相关文章发表在多个知名期刊上。钱凯教授团队的研究方向广泛，涵盖忆阻器类脑芯片、集成电路封装、柔性电极、生物组织修复及医疗健康监测智能传感器等领域，并取得了一系列研究成果。

在信息大爆炸时代，对存储能力的需求急速增加。开发小尺寸多值非易失存储器可广泛服务于军事和民用领域，符合国家重大需求。忆阻材料和器件是实现小尺寸多值非易失存储器的最佳方式，应当大力发展。同时，降低能耗提高效率是信息处理芯片的最终发展方向，类脑芯片具有低功耗高效率的先天优势，未来有望成为信息处理芯片的首选，具有广阔的市场前景。因此，加大对忆阻材料和器件的科技投入具有重要的现实意义。