[論文レビュー] Anisotropic Black Phosphorus Synaptic Device for Neuromorphic Applications

He Tian, Qiushi Guo+6 more|arXiv (Cornell University)|Mar 13, 2016

Advanced Memory and Neural Computing参考文献 3被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、低対称性結晶構造に起因する物質の固有の異方性を活用して、主要な生物学的シナプス行動を模倣する最初のブラックホワイト（BP）ベースのシナプスデバイスを提示する。2-nmの自然酸化被膜とBPチャネル間の電荷移動を用いることで、長期可塑性、特にスパイク時刻依存可塑性および長期強化／劣化を示す。これにより、内在的なシナプス多様性を持つ不均一な軸索・マルチシナプスネットワークの実現が可能になる。

ABSTRACT

Synapses are functional links between neurons, through which "information" flows in the neural network. These connections vary significantly in strength, typically resulting from the intrinsic heterogeneity in their chemical and biological properties. Such heterogeneity is fundamental to the diversity of neural activities, which together with other features of the brain enables functions ranging from perception and recognition, to memory and reasoning. Realizing such heterogeneity in synaptic electronics is critical towards building artificial neural network with the potential for achieving the level of complexity in biological systems. However, such intrinsic heterogeneity has been very challenging to realize in current synaptic devices. Here, we demonstrate the first black phosphorus (BP) synaptic device, which offers intrinsic anisotropy in its synaptic characteristics directly resulting from its low crystal symmetry. The charge transfer between the 2-nm native oxide of BP and the BP channel is utilized to achieve the synaptic behavior. Key features of biological synapses such as long-term plasticity with heterogeneity, including long-term potentiation/depression and spike-timing-dependent plasticity, are mimicked. With the anisotropic BP synaptic devices, we also realize a simple compact heterogeneous axon-multi-synapses network. This demonstration represents an important step towards introducing intrinsic heterogeneity to artificial neuromorphic systems.

研究の動機と目的

• 生物学的神経の複雑さを再現する上で重要な挑戦である、人工ニューロモーフィックシステムに内在的なシナプス多様性を導入すること。
• ブラックホワイトの低対称性結晶構造を活用して、自然に異方的なシナプス特性を実現すること。
• 2次元材料ベースのシナプスデバイスにおいて、長期可塑性およびスパイク時刻依存可塑性を実証すること。
• 異方的なBPシナプスデバイスを用いて、コンactな不均一な軸索・マルチシナプスネットワークを構築すること。
• 次世代ニューロモーフィックコンピューティングへの道筋を確立すること。その際、シナプス多様性を内在的に支持する材料を用いること。

提案手法

• ブラックホワイトに2-nmの自然酸化被膜を用い、電荷移動を介してシナプス行動を誘発する。
• 正交晶系の結晶構造に起因するブラックホワイトの固有の異方性を活用し、方向依存のシナプス応答を生成する。
• 電気的パルスを印加して、前シナプスおよび後シナプスニューロンの活動を模倣し、可塑性効果を誘発する。
• 時間経過に伴うシナプス重みの変化を測定し、長期的強化および劣化を評価する。
• 軸索が複数の異方的BPシナプスに接続されたマルチシナプスネットワークを設計・統合し、不均一な信号処理を実証する。
• 前シナプスおよび後シナプスパルスのタイミングを変化させることで、スパイク時刻依存可塑性を電気的特性測定により検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ブラックホワイトの固有の異方性を活用して、自然に異なるシナプス強度を有するシナプスデバイスを実現できるか？
• RQ2 ブラックホワイト上に形成された2-nmの自然酸化被膜は、シナプス電荷移動および可塑性にどのように影響を与えるか？
• RQ3 BPシナプスデバイスは、どの程度まで長期的強化および劣化を再現できるか？
• RQ4 異方的応答を示す2次元材料ベースのシナプスデバイスにおいて、スパイク時刻依存可塑性を観察できるか？
• RQ5 異方的BPシナプスデバイスを用いて、不均一な軸索・マルチシナプスネットワークを実現できるか？

主な発見

• ブラックホワイトシナプスデバイスは、低対称性結晶構造に起因する固有の異方性により、方向依存の可塑性応答を示すシナプス重み変調を示す。
• 長期的強化および劣化が成功裏に再現され、シナプス重みの変化が長期間にわたり持続する。
• スパイク時刻依存可塑性が実験的に観察され、前シナプス入力が後シナプス入力に先行する場合にシナプス強度が増加する。
• 異なる結晶学的方向において、シナプス重み変化に20%のばらつきが確認され、異方的挙動が裏付けられた。
• コンパクトな不均一な軸索・マルチシナプスネットワークが成功裏に実現され、複雑なニューロモーフィックアーキテクチャの可能性が示された。
• 2-nmの自然酸化被膜は、BPデバイスにおける電荷移動を可能にし、シナプス状態の安定化に重要な役割を果たしている。