近期，我校物理學院、紫外光發射材料與技術教育部重點實驗室，在國家重點研發計劃、國家自然科學基金等項目資助下，在類腦型憶阻材料與器件領域取得系列重要進展。憶阻器具有運行功耗低、讀寫速度快、集成密度高等優勢，在信息存儲、邏輯運算、類腦計算等領域有重要應用，被視為推進信息技術發展的一種變革性技術。當前，基于憶阻器的“感存算一體化”技術是該領域的重要發展方向。

與大腦相似的“存算一體化”是有望突破馮諾依曼瓶頸，提升計算效能的重要技術。研究團隊基于金屬離子遷移的“蛋盒”模型，提出利用電離酸性基團與金屬離子相互作用限制其遷移路徑，實現了導電通道在原子尺度下的有效調制；在單元憶阻器件上獲得16個連續調控的量子化電導態。器件展示出最快2 ns的寫入速度和最低0.6 pJ的運行能耗。利用電導量子化效應，不僅完成了八位二進制字符的信息編碼，而且實現了不同于傳統布爾邏輯的“狀態”邏輯操作（即：實蘊邏輯IMP），為發展憶阻型存算一體化構架的提供了材料與器件基礎。相關結果發表在材料領域重要期刊 Adv. Mater. 2021, 33, 2104023。

類腦型人工視覺系統是新一代人工智能發展的重要組成部分。然而，傳統人工視覺受限于感知、存儲和處理等功能單元分立，在傳輸速度、運行能耗等方面造成巨大損耗。研究團隊基于TiO2-Ag納尺度復合材料設計了一種等離激元型光電憶阻材料，利用Ag納米顆粒局域表面等離激元共振（LSPR）的光學吸收效應，獲得了人工神經突觸權重的全光學信號調制特性，進而實現了圖像感知、存儲和預處理（對比度提升、噪音抑制、模式識別）的功能整合，為發展高效能類腦視覺系統提供了技術方案。相關的研究成果發表在國際期刊Adv. Sci. 2021, 2104632。

此外，通過進一步增強離子遷移路徑的限制效應，在基于分子篩材料的憶阻器件上獲得了可與大腦神經突觸比擬的7.5 fJ超低能耗, 相關結果發表在國際期刊 Small, 2021, 17, 2006662。

上述論文的通訊作者包括物理學院徐海陽教授，王中強教授，劉益春院士和化學學院朱廣山教授。

圖1.基于高可控電導量子化的存算一體功能

圖2. 基于光電憶阻器的類腦視覺仿生系統

科學技術處
2022年1月3日