人類的大腦掌握著我們獨(dú)特個(gè)性的秘密。但是您知道它也可以構(gòu)成高效計(jì)算設(shè)備的基礎(chǔ)嗎？日本名古屋大學(xué)的研究人員最近展示了如何做到這一點(diǎn)，通過石墨烯-金剛石異質(zhì)結(jié)來模仿人類大腦某些功能。
但是，為什么科學(xué)家會(huì)嘗試模仿人腦呢？今天，現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)架構(gòu)受到復(fù)雜數(shù)據(jù)的影響，限制了它們的處理速度。另一方面，人腦可以高效處理高度復(fù)雜的數(shù)據(jù)，例如圖像。因此，科學(xué)家們?cè)噲D構(gòu)建模仿大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的“神經(jīng)形態(tài)”架構(gòu)。
記憶和學(xué)習(xí)必不可少的一種現(xiàn)象是“突觸可塑性”，即突觸（神經(jīng)元鏈接）適應(yīng)活動(dòng)增加或減少的能力。科學(xué)家們?cè)噲D使用晶體管和“憶阻器”（可以存儲(chǔ)電阻的電子存儲(chǔ)設(shè)備）來重現(xiàn)類似的效果。最近開發(fā)的光控憶阻器或“光敏電阻器”既可以檢測(cè)光又可以提供非易失性記憶，類似于人類的視覺感知和記憶。這些優(yōu)異的特性為可以充當(dāng)人工光電突觸的全新材料世界打開了大門！
這促使名古屋大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)石墨烯-金剛石異質(zhì)結(jié)，可以模仿生物突觸和關(guān)鍵記憶功能的特征，為下一代圖像傳感存儲(chǔ)設(shè)備打開大門。在他們最近發(fā)表在《Carbon》上的研究中，由 Kenji Ueda 博士領(lǐng)導(dǎo)的研究人員使用垂直排列的石墨烯(VG)和金剛石之間的連接展示了光電控制的突觸功能。制造的連接模仿生物突觸功能，例如產(chǎn)生“興奮性突觸后電流”（EPSC）——突觸膜上的神經(jīng)遞質(zhì)誘導(dǎo)的電荷——當(dāng)用光脈沖刺激時(shí)，表現(xiàn)出其他基本的大腦功能，例如從短期記憶 (STM) 到長(zhǎng)期記憶 (LTM)。
Ueda 博士解釋說：“我們的大腦裝備精良，可以篩選可用信息并存儲(chǔ)重要信息。我們嘗試了類似VG金剛石陣列的方法，當(dāng)暴露于光刺激時(shí)，它可以模擬人腦。”他補(bǔ)充說：“這項(xiàng)研究是由于 2016 年的一項(xiàng)發(fā)現(xiàn)而引發(fā)的，當(dāng)時(shí)我們發(fā)現(xiàn)石墨烯-金剛石異質(zhì)結(jié)中存在較大的光學(xué)誘導(dǎo)電導(dǎo)率變化。”除了 EPSC、STM 和 LTM，這些連接點(diǎn)還顯示出300%的成對(duì)脈沖促進(jìn)——當(dāng)緊接在先的突觸之前時(shí)，突觸后電流增加。
VG金剛石陣列在偏置電壓下經(jīng)歷了由熒光和藍(lán)色LED引起的氧化還原反應(yīng)。研究人員將此歸因于在結(jié)界面處存在不同的石墨烯和金剛石雜化碳，這導(dǎo)致離子響應(yīng)光而遷移，進(jìn)而允許異質(zhì)結(jié)執(zhí)行類似于那些由大腦和視網(wǎng)膜執(zhí)行的。此外，VG-金剛石陣列在光敏性和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單性方面超越了傳統(tǒng)的基于稀有金屬的光敏材料的性能。
Ueda博士說：“我們的研究提供了對(duì)人工光電突觸行為背后的工作機(jī)制的更好理解，為光學(xué)可控的大腦模擬計(jì)算機(jī)比現(xiàn)有計(jì)算機(jī)具有更好的信息處理能力鋪平了道路。”
下一代計(jì)算機(jī)的未來可能不會(huì)太遙遠(yuǎn)。
摘自《The Graphene Council》網(wǎng)站
