近期，我校物理学院、紫外光发射材料与技术教育部重点实验室，在国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目资助下，在类脑型忆阻材料与器件领域取得系列重要进展。忆阻器具有运行功耗低、读写速度快、集成密度高等优势，在信息存储、逻辑运算、类脑计算等领域有重要应用，被视为推进信息技术发展的一种变革性技术。当前，基于忆阻器的“感存算一体化”技术是该领域的重要发展方向。
与大脑相似的“存算一体化”是有望突破冯诺依曼瓶颈，提升计算效能的重要技术。研究团队基于金属离子迁移的“蛋盒”模型，提出利用电离酸性基团与金属离子相互作用限制其迁移路径，实现了导电通道在原子尺度下的有效调制；在单元忆阻器件上获得16个连续调控的量子化电导态。器件展示出最快2 ns的写入速度和最低0.6 pJ的运行能耗。利用电导量子化效应，不仅完成了八位二进制字符的信息编码，而且实现了不同于传统布尔逻辑的“状态”逻辑操作（即：实蕴逻辑IMP），为发展忆阻型存算一体化构架的提供了材料与器件基础。相关结果发表在材料领域重要期刊 Adv. Mater. 2021, 33, 2104023。
类脑型人工视觉系统是新一代人工智能发展的重要组成部分。然而，传统人工视觉受限于感知、存储和处理等功能单元分立，在传输速度、运行能耗等方面造成巨大损耗。研究团队基于TiO2-Ag纳尺度复合材料设计了一种等离激元型光电忆阻材料，利用Ag纳米颗粒局域表面等离激元共振（LSPR）的光学吸收效应，获得了人工神经突触权重的全光学信号调制特性，进而实现了图像感知、存储和预处理（对比度提升、噪音抑制、模式识别）的功能整合，为发展高效能类脑视觉系统提供了技术方案。相关的研究成果发表在国际期刊Adv. Sci. 2021, 2104632。
此外，通过进一步增强离子迁移路径的限制效应，在基于分子筛材料的忆阻器件上获得了可与大脑神经突触比拟的7.5 fJ超低能耗, 相关结果发表在国际期刊 Small, 2021, 17, 2006662。
上述论文的通讯作者包括物理学院徐海阳教授，王中强教授，刘益春院士和化学学院朱广山教授。
图1.基于高可控电导量子化的存算一体功能
图2. 基于光电忆阻器的类脑视觉仿生系统
科学技术处
2022年1月3日