1、基于忆阻突触器件的模式识别电路系统设计与实现目录电解质电解质预期成果及安排预期成果及安排项目背景项目背景研究基础及条件研究基础及条件研究内容研究内容1.项目背景与立项依据项目背景与立项依据2.国内外现状分析及市场分析国内外现状分析及市场分析3.项目目的与创新点项目目的与创新点1.研究工作积累研究工作积累2.已具备实验条件已具备实验条件1.研究研究内容内容2.关键技术关键技术1.预期成果预期成果2.进度安排及阶段目标进度安排及阶段目标Dharmendra S.ModhaIBM FellowChief Scientist-Brain-inspired ComputingSenior Manager
2、-Cognitive Computing;IBM Research-Almaden2009年11月：BlueGene/P超级计算机系统模拟猫大脑皮层The cat is out of the bag:cortical simulations with 109 neurons,1013 synapses.High Performance Computing Networking,Storage and Analysis,Proceedings of the Conference on.IEEE,2009.This work received ACMs Gordon Bell Prize.A mi
3、llion spiking-neuron integrated circuit with scalable communication network and interface,Science,8 August 20142011年9月：首款认知芯片A Digital Neurosynaptic Core using Embedded Crossbar Memory with 45pJ per spike in 45nm,IEEE Custom Integrated Circuits Conference,September 2011.A 45nm CMOS Neuromorphic Chip
4、 with a Scalable Architecture for Learning in Networks of Spiking Neurons,IEEE Custom Integrated Circuits Conference,September 2011.4项目背景项目背景4大脑神经系统信息存储处理流程构建类脑认知系统的两大基本单元：电子神经元器件电子突触器件神经形态计算神经形态计算5项目背景项目背景5非易失突触权重非易失突触权重 突触可塑性突触可塑性纳米级尺寸纳米级尺寸 低功耗低功耗 易于集成易于集成模式识别模式识别通过计算机用数学技术方法来通过计算机用数学技术方法来研究模式的研究模
5、式的自动处理和判读自动处理和判读信息科学信息科学和和人工智能人工智能的重要组的重要组成部分成部分图像识别技术图像识别技术 主要应用领域主要应用领域语言识别技术语言识别技术 30%530%5年达到年达到400400亿亿生物认证技术生物认证技术 1010年达到年达到100100亿美元亿美元数字水印技术数字水印技术 5 5年达到年达到8080亿美元亿美元6项目背景项目背景66Wired：2008年十大科技突破PC World：彻底改变生活的未来15大技术 一种新型存储器，其电阻值能随施加电场的大小和方向发生变化，当电场撤去时电阻保持不变，实现非易失性信息存储。基于其电阻渐变可调特性可用做类脑神经元突
6、触电子器件。电压电阻电流电压认知器件(多端,2):连接上下电极电导Conductance(G)代表导电强度电导可以在正、负脉冲作用下连续调节Bottom electrodeTop electrodeFunctional material7国内外现状分析国内外现状分析71.1.器件性能的优化和电器件性能的优化和电路的大规模化。路的大规模化。2.2.模式识别的性能将越模式识别的性能将越来越优化。来越优化。3.3.优化适于忆阻突触器优化适于忆阻突触器件特性的算法。件特性的算法。Prezioso M.,et al.Nature,2015,521(7550):61-64.Chu M.,et al.Ind
7、ustrial Electronics,IEEE Transactions on,2015,62(4):2410-2419.研究目标研究目标创新点创新点（1 1）具有良好的渐变特）具有良好的渐变特性碲化物忆阻器，可以性碲化物忆阻器，可以实现更简单高效实现多实现更简单高效实现多值存储、神经突触模拟值存储、神经突触模拟等功能；等功能；（2 2）基于）基于STDPSTDP的突触器的突触器件渐变特性，权值更新件渐变特性，权值更新模式识别算法。模式识别算法。制备碲化物忆阻突触制备碲化物忆阻突触器件器件脉冲脉冲权值更新算法权值更新算法模式识别电路设计模式识别电路设计与与功能验证功能验证项目目的与创新点项目
8、目的与创新点9研究内容研究内容（1）渐变型碲化物忆阻突触器件研究）渐变型碲化物忆阻突触器件研究（2）基于）基于STDP的突触器件的突触器件脉冲脉冲权值权值更新算法更新算法（3）基于忆阻神经形态电路的模式识）基于忆阻神经形态电路的模式识别电路系统设计与构建别电路系统设计与构建10研究基础及条件研究基础及条件（1 1）忆阻物理机制与器件特性忆阻物理机制与器件特性1.L.Xu,Y.Li,N.N.Yu,Y.P.Zhong,and X.S.Miao,Applied Physics Letters,106,031904(2015)2.P.Yan,Y.Li,Y.J.Hui,S.J.Zhong,Y.X.Zho
9、u,L.Xu,N.Liu,H.Qian,H.J.Sun,and X.S.Miao,Applied Physics Letters,107,083501，20153.Li Y.,Zhong Y.P.,Zhang J.J.,Xu X.H.,Wang Q.,Xu L,Sun H.J.,Miao X.S.,Applied Physics Letters,103(4),043501,20134.J.J.Zhang,N.Liu,H.J.Sun,P.Yan,Y.Li,S.J.Zhong,S.Xie,R.J.Li,X.S.Miao,Journal of Electronic Materials,20165.Z
10、hang J.J.,Sun H.J.,Li Y.,Wang Q.,Xu X.H.,Miao X.S.,Applied Physics Letters,102(18),183513,201311研究基础及条件研究基础及条件Y.Li,et al.Advanced Electronic Materials,1,1500125,2015.（2 2）神经突触的突触神经突触的突触可塑性方面研究可塑性方面研究（3 3）联想学习方面联想学习方面研究研究1.Yi Li,Lei Xu,Ying-Peng Zhong,Ya-Xiong Zhou,Shu-Jing Zhong,Yang-Zhi Hu,Leon O.C
11、hua,and Xiang-Shui Miao,Advanced Electronic Materials,1(8),1500125(2015)2.Yaxiong Zhou,Yi Li,Lei Xu,Shujing Zhong,Huajun Sun,and Xiangshui Miao,Applied Physics Letters,106,233502(2015)3.Y.X.Zhou,Y.Li,L.Xu,S.J.Zhong,R.G.Xu,and X.S.Miao,Physica Status Solidi A:Applications and Materials Science,(2016)
12、4.Y.Li,Y.P.Zhong,J.J.Zhang,L.Xu,Q.Wang,H.J.Sun,H.Tong,X.M.Cheng,X.S.Miao,Scientific Reports（Nature Publishing Group),volume 4,4906(2014)5.Yingpeng Zhong,Yi Li,Lei Xu,and Xiangshui Miao,Physica Status Solidi-Rapid Research Letters，Vol.9,No.7,414419(2015)6.Y.Li,Y.P.Zhong,Y.F.Deng,Y.X.Zhou,L.Xu and X.S
13、.Miao,Journal of Applied Physics,114,234503,（2013）12研究基础及条件研究基础及条件（1 1）微纳器件工艺平台）微纳器件工艺平台（2 2）器件性能表征测试设备）器件性能表征测试设备（3 3）电路仿真分析平台）电路仿真分析平台完整的微电子材料与器件制备完整的微电子材料与器件制备-封装封装-测测试线以及电路设计与仿真平台试线以及电路设计与仿真平台13研究基础及条件研究基础及条件微纳制造设备14研究基础及条件研究基础及条件性能测试设备15预期成果预期成果（1 1）制备出突触权值可稳定渐变调节的碲化物）制备出突触权值可稳定渐变调节的碲化物忆阻突触器件，建
14、立其电特性的数学和电路模忆阻突触器件，建立其电特性的数学和电路模型；型；（2 2）提出基于）提出基于STDPSTDP脉冲时序关系的突触权值更脉冲时序关系的突触权值更新算法；新算法；（3 3）构建模式识别电路系统，结合忆阻权值更）构建模式识别电路系统，结合忆阻权值更新算法，实现对新算法，实现对MNISTMNIST库中标准数字图像的识别；库中标准数字图像的识别；（4 4）结题报告）结题报告1 1份，申请发明专利份，申请发明专利1 1项，发表项，发表A A类论文类论文1 1篇。篇。16进度安排及阶段目标进度安排及阶段目标1-41-4月，碲化物忆阻突触材料与器件的制备，同时设计适合忆阻月，碲化物忆阻突
15、触材料与器件的制备，同时设计适合忆阻突触器件的模式识别算法。突触器件的模式识别算法。5-65-6月，对碲化物忆阻突触器件进行电学性能测试分析及模型的月，对碲化物忆阻突触器件进行电学性能测试分析及模型的建立，采用建立，采用HSPICEHSPICE软件构建能实现突触可塑性和渐变可调的函软件构建能实现突触可塑性和渐变可调的函数及功能模型。数及功能模型。7-107-10月，利用碲化物忆阻突触器件对算法进行功能验证，并应月，利用碲化物忆阻突触器件对算法进行功能验证，并应用相关的仿真软件，进行较大规模阵列电路中的性能用相关的仿真软件，进行较大规模阵列电路中的性能11-1211-12月，相关论文、结题报告撰写及剩余材料和实验的补充。月，相关论文、结题报告撰写及剩余材料和实验的补充。
