混合時鐘驅動的自旋神經元器件激活特性和計算性能*

袁佳卉 楊曉闊? 張斌 陳亞博 鐘軍危波 宋明旭 崔煥卿

1) (空軍工程大學基礎部, 西安 710051)

2) (國防科技大學計算機學院, 長沙 410005)

3) (空軍指揮學院, 北京 100097)

(2021 年4 月1 日收到; 2021 年6 月16 日收到修改稿)

1 引 言

縱觀人類發展歷史, 人類一直致力于創造出擁有像人類智慧的“智能機器”[1]. 研究人員采用互補金屬氧化物半導體(complementary metal-oxidesemiconductor, CMOS)器件來搭建神經形態電路. Bernabe 等[2]利用CMOS 電路模擬了Fitz-Hugh-Nagumo 神經元模型, 實現了神經振蕩器的仿真; Lont 等[3]實現了在3 μm CMOS 制造工藝下的具有非線性突觸的多層感知器, 并且該芯片被成功集成到計算機中實現了相應功能. 盡管基于CMOS 的神經形態器件已經逐漸發展成熟, 并且可以制造出成熟的仿生電路, 但是它需要消耗大量的能量, 且集成度較低, 無法實現有效的仿生功能[4]. 因此, 不適合進行類腦計算. 傳統的馮諾依曼計算體系也是制約CMOS 神經形態芯片發展的主要障礙. 這是由于馮諾依曼計算體系存儲與計算分離, 當數據在存儲器和處理器之間傳輸時, 將會消耗大量的時間和能量, 無法實現實時語音、圖像識別等運算[5].

近幾年, 隨著材料科學和電子科學的發展, 一些新型材料被發現能夠直接模擬人腦中神經元和神經突觸的計算能力, 如鐵電材料[6]、阻變材料[7]、相變材料[8]和自旋電子材料[9]等. 這些新型器件打破了傳統的馮諾依曼計算瓶頸, 具有存算一體,功耗極低等優點, 能夠實現生物神經元或者突觸的神經態計算功能[10].

自旋電子材料作為制作新型神經形態器件的……