[논문 리뷰] All-Optically Controlled Memristor

Lingxiang Hu, Jing Yang외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 17.

Advanced Memory and Neural Computing참고 문헌 75인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 광파장만으로도 가역적이고 연속적인 멤덕턴스 조정이 가능한 InGaZnO (IGZO) 기반의 전적으로 광학적으로 제어되는 아날로그 메모리스터를 제시한다. 이 장치는 빛에 의한 전자 포획 및 탈포획을 이용해 이방향 도통도 조절을 실현하며, 향후 광전자 뉴로모픽 컴퓨팅 시스템에 활용 가능한 스파ike 타이밍 의존성 플라스티시티를 보여준다.

ABSTRACT

Memristors have emerged as key candidates for beyond-von-Neumann neuromorphic or in-memory computing owing to the feasibility of their ultrahigh-density three-dimensional integration and their ultralow energy consumption. A memristor is generally a two-terminal electronic element with conductance that varies nonlinearly with external electric stimuli and can be remembered when the electric power is turned off. As an alternative, light can be used to tune the memconductance and endow a memristor with a combination of the advantages of both photonics and electronics. Both increases and decreases in optically induced memconductance have been realized in different memristors; however, the reversible tuning of memconductance with light in the same device remains a considerable challenge that severely restricts the development of optoelectronic memristors. Here we describe an all-optically controlled (AOC) analog memristor with memconductance that is reversibly tunable over a continuous range by varying only the wavelength of the controlling light. Our memristor is based on the relatively mature semiconductor material InGaZnO (IGZO) and a memconductance tuning mechanism of light-induced electron trapping and detrapping. We demonstrate that spike-timing-dependent plasticity (STDP) learning can be realized in our device, indicating its potential applications in AOC spiking neural networks (SNNs) for highly efficient optoelectronic neuromorphic computing.

연구 동기 및 목표

• 전기 자극 없이 빛만으로 도통도를 가역적으로 조절할 수 있는 메모리스터를 개발하는 것.
• 단일 광전자 장치에서 이방향이고 연속적인 도통도 조절을 달성하는 데 도전하는 것.
• 광학적 제어를 메모리스터 기능과 통합하여 광전자 뉴로모픽 컴퓨팅을 실현하는 것.
• 스파이크 타이밍 의존성 플라스티시티(STDP)가 전적으로 광학적으로 제어되는 메모리스터에서 어떻게 나타나는지 입증하는 것.

제안 방법

• 장치는 빛에 의한 전하 포획 및 탈포획을 위한 활성층으로 인갈린진진옥사이드(IGZO) 채널을 사용한다.
• 도통도는 입사광의 파장을 변화시켜 연속적이고 가역적으로 조절할 수 있다.
• 이 메커니즘은 IGZO의 결함 상태에서 광자에 의해 유도된 전자가 포획되거나 방출되어 채널 도통도가 변화함에 따라 작동한다.
• 장치는 전기적 바이어스 없이도 광학적 제어만으로 작동하는 이중단자 메모리스터로서, 조정 중 전기적 바이어스가 필요하지 않다.
• 도통도 반응을 맵핑하고 가역성을 검증하기 위해 다양한 빛의 파장에서 장치를 특성화한다.
• 광학적으로 조절된 메모리스터를 사용하여 스파이크 신경망 기능을 시뮬레이션하여 STDP 학습을 테스트한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전기 입력 없이 빛만으로 단일 장치에서 도통도를 연속적이고 가역적으로 조절할 수 있는가?
• RQ2 IGZO 기반 메모리스터에서 빛의 파장이 전자 포획 및 탈포획 역학에 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 전적으로 광학적으로 제어되는 메모리스터가 뉴로모픽 컴퓨팅을 위한 스파이크 타이밍 의존성 플라스티시티(STDP)를 나타낼 수 있는가?
• RQ4 동일한 장치에서 다양한 빛의 파장에 따라 도통도 반응은 어떻게 달라지는가?
• RQ5 이러한 장치는 저전력 소비로 에너지 효율적인 전적으로 광학적인 메모리 내 컴퓨팅을 가능하게 할 수 있는가?

주요 결과

• 장치는 입사광의 파장 뿐만으로도 넓은 동적 범위에서 도통도를 연속적이고 가역적으로 조절함을 보여주었다.
• 특정 파장(예: 532 nm)에서는 전자 자극과 포획으로 도통도가 증가하는 반면, 다른 파장(예: 405 nm)에서는 탈포획이 유도되어 도통도가 감소한다.
• 빛을 끈 후에도 도통도 상태가 안정적으로 유지되어 비버니시브 메모리 행동을 확인하였다.
• 다양한 사이클 동안 반복적이고 재현 가능한 도통도 조절이 가능하여 내구성이 우수함을 입증하였다.
• 스파이크 타이밍 의존성 플라스티시티(STDP)가 성공적으로 입증되었으며, 이는 광전자 신경망에서의 학습 능력을 보여준다.
• 장치는 초저전력 소비로 작동하여 3차원 고밀도 뉴로모픽 컴퓨팅 아키텍처에 적합하다.