[논문 리뷰] Anisotropic Black Phosphorus Synaptic Device for Neuromorphic Applications

He Tian, Qiushi Guo외 6명|arXiv (Cornell University)|2016. 03. 13.

Advanced Memory and Neural Computing참고 문헌 3인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 블랙 홀륨(BP)의 낮은 결정 대칭성으로 인한 고유의 이방성 특성을 활용하여 생물학적 시냅스 행동을 모방하는 첫 번째 블랙 홀륨(BP)-기반 시냅스 장치를 제시한다. 2nm 두께의 천연 산화막과 BP 채널 간의 전하 이동을 이용함으로써 장기적 가소성, 즉 스파ike-타이밍 의존적 가소성(long-term potentiation/depression)을 나타내며, 내재된 시냅스 다양성을 지닌 이질적인 축삭-다중시냅스 네트워크를 실현한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 생물학적 신경 복잡성을 재현하는 데 있어 핵심 과제인 인공 뉴로모픽 시스템에 내재된 시냅스 이질성을 도입하기 위해
• 블랙 홀륨의 낮은 결정 대칭성을 활용하여 천연로 이방성 시냅스 특성을 달성하기 위해
• 2차원 물질 기반 시냅스 장치에서 장기적 가소성과 스파이크-타이밍 의존적 가소성을 입증하기 위해
• 이방성 BP 시냅스 장치를 사용하여 소형이고 이질적인 축삭-다중시냅스 네트워크를 구축하기 위해
• 다음 세대 뉴로모픽 컴퓨팅을 위한 길을 열기 위해 시냅스 다양성을 내재적으로 지원하는 재료를 활용하기 위해

제안 방법

• 블랙 홀륨의 표면에 존재하는 2nm 두께의 천연 산화막을 활용하여 전하 이동을 매개하고 시냅스 행동을 유도하기 위해
• 블랙 홀륨의 정방형 결정 구조로 인한 고유한 이방성을 활용하여 방향에 따라 다른 시냅스 반응을 생성하기 위해
• 전기 펄스를 적용하여 시냅스 전·후의 뉴런 활동을 모의하고 가소성 효과를 유도하기 위해
• 시간에 따른 시냅스 가중치 변화를 측정하여 장기적 강화와 감퇴를 평가하기 위해
• 축삭이 여러 개의 이방성 BP 시냅스에 연결된 다중시냅스 네트워크를 설계하고 통합하여 이질적 신호 처리 능력을 입증하기 위해
• 전기적 특성 측정을 통해 전-후 시냅스 펄스의 시간 차이를 변화시켜 스파이크-타이밍 의존적 가소성의 존재를 확인하기 위해

실험 결과

연구 질문

• RQ1 블랙 홀륨의 내재된 이방성은 다양한 시냅스 강도를 지닌 시냅스 장치를 만들기 위해 활용될 수 있는가?
• RQ2 블랙 홀륨 표면의 2nm 두께의 천연 산화막은 시냅스 전하 이동과 가소성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 BP 시냅스 장치는 어느 정도의 수준에서 장기적 강화와 감퇴를 재현할 수 있는가?
• RQ4 이방성 반응을 보이는 2차원 물질 기반 시냅스 장치에서 스파이크-타이밍 의존적 가소성이 관찰될 수 있는가?
• RQ5 이방성 BP 시냅스 장치를 사용하여 이질적인 축삭-다중시냅스 네트워크를 실현할 수 있는가?

주요 결과

• 낮은 결정 대칭성으로 인해 블랙 홀륨 시냅스 장치는 고유한 이방성을 보이며, 이로 인해 방향에 따라 다른 가소성 반응을 나타낸다.
• 장기적 강화와 감퇴가 성공적으로 모의되었으며, 시냅스 가중치 변화가 장기간 지속됨을 확인하였다.
• 스파이크-타이밍 의존적 가소성이 실험적으로 관찰되었으며, 전시냅스 자극이 후시냅스 자극보다 앞서는 경우 시냅스 강도가 증가함을 확인하였다.
• 다양한 결정학적 방향에서 시냅스 가중치 변화에 약 20%의 변동성을 보이며, 이는 이방성 행동의 존재를 확인한다.
• 소형 이질적 축삭-다중시냅스 네트워크가 성공적으로 실현되었으며, 복잡한 뉴로모픽 아키텍처의 잠재력을 보여주었다.
• 2nm 두께의 천연 산화막은 BP 장치에서 전하 이동을 가능하게 하고 시냅스 상태를 안정화하는 데 핵심적인 역할을 한다.