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万青教授课题组在多端口神经元晶体管及其时空信息处理仿生方面取得最新进展

我校云顶娱乐万青教授课题组在多端口神经形态器件及其时空信息处理仿生方面取得最新进展 , 研究成果“Spatiotemporal Information Processing Emulated by Multiterminal Neuro-Transistor Networks”(基于多端口神经形态晶体管网络的时空信息处理 仿生模拟)发表在 Advanced Materials 上。 我校万青教授为该论文的通讯编辑 博士生何勇礼为论文的第一编辑 ,相关工作得到施毅教授的大力支撑。

        传统计算机在处理确定结构的数据 时表现得要比人脑出色得多,但是在处理诸如语音识别 、自动驾驶与现实世界交互的问题时却远不如人脑。神经形态计算从大脑内部结构及其运行模式中汲取灵感,有望显著降低诸如模式识别、特征提取和嘈杂环境中的数据挖掘等复杂计算任务的能耗和芯片面积。神经元时空输入序列的检测和辨别是大脑功能的基础,也是人脑感知、认知和运动输出的基础。因此  研制人工神经形态器件并 实现 生物神经元时空信息 处理 功能仿生对于实现超低功耗类脑计算意义十分巨大    

        在人脑中,每个神经细胞具有多个突触输入端口(如图1a所示)  本研究采用氧化物双电层 晶体管 的 多个栅 电 极作为神经元 突触输入 端, 晶体管 的源 / 电极 作为 神经元输出端(如图1b所示 )。在多栅极上 施加不同的时空尖峰序列,在 源漏电极 间施加微小电压 读出神经元 器件 的输出信号 , 研究 该神经形态晶体管器件生物神经元时空信息处理 功能  仿生模拟。实验 结果 表明(图1 c) 从树突分支到细胞体(IN,  相对源漏电极而言, 在 栅极上远及近施加刺激脉冲 )或从细胞体到树突分支尖端(OUT,  相对源漏电极而言, 在 栅极上由近远施加 刺激脉冲 )的连续输入刺激会产生强烈的方向选择特性。通过 在不同方向上 的 栅极施加 刺激脉冲  进而实现了 神经 元晶体管 对不同时空信息处理 功能  仿生模拟 


大家人脑中的声音定位是通过检测耳间时间差(ΔT)来实现的(如 2a所示)。在该论文中,大家还 构建 了简易的容性耦合双 输入 / 输出 人工神经网络,实现 了人耳对声音方位角 判别  模拟。两个 输入前端和两个 源漏电极对被认为是突触前神经元(PREN1PREN2)和突触后神经元(POSTN1POSTN2)(如图2b所示)。 PREN1PREN2分别被看做是左耳和右耳声音感知神经元,并通过质子导电电解质的强电容耦合效应全连接到POSTN1POSTN2。为了模仿声音定位功能,当声音来自右方时,先在PREN 2上施加脉冲信 号,然后在PREN1 施加相同的脉冲信号 ;当声音来自左方时, 则相反。 两个脉冲信号之间的时间间隔表示耳间时间差  2c给出了当声音 从右侧到来时 两个源漏电极 对的响应 ,当 第二个脉冲到来时,POST1 响应大于 POST2。若声音   侧到来 ,则 POST1 响应   POST2。图2d给出了当第二个输入前端信号到来时两个 神经元响应 幅度之比与时间间隔和声音方位角的关系。表明此 简单 人工神经网络对声音方位角具有仿生检测功能。    

该项研究工作得到国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金和国家重点研发计划等项目的资助     

文章 链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201900903   


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