[论文解读] Emulating long-term synaptic dynamics with memristive devices

Shari Lim Wei, Eleni Vasilaki+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 7, 2015

Advanced Memory and Neural Computing参考文献 41被引用 10

一句话总结

本文展示了单个固态TiO2忆阻器通过结合电场驱动与热驱动切换机制，能够模拟长期突触可塑性，支持脉冲时序依赖可塑性与赫布型关联可塑性。忆阻器的非线性累积行为成功复现了由三重态规则模型描述的长期增强与抑制，为可扩展的类脑计算提供了硬件基础。

ABSTRACT

The potential of memristive devices is often seeing in implementing neuromorphic architectures for achieving brain-like computation. However, the designing procedures do not allow for extended manipulation of the material, unlike CMOS technology, the properties of the memristive material should be harnessed in the context of such computation, under the view that biological synapses are memristors. Here we demonstrate that single solid-state TiO2 memristors can exhibit associative plasticity phenomena observed in biological cortical synapses, and are captured by a phenomenological plasticity model called triplet rule. This rule comprises of a spike-timing dependent plasticity regime and a classical hebbian associative regime, and is compatible with a large amount of electrophysiology data. Via a set of experiments with our artificial, memristive, synapses we show that, contrary to conventional uses of solid-state memory, the co-existence of field- and thermally-driven switching mechanisms that could render bipolar and/or unipolar programming modes is a salient feature for capturing long-term potentiation and depression synaptic dynamics. We further demonstrate that the non-linear accumulating nature of memristors promotes long-term potentiating or depressing memory transitions.

研究动机与目标

• 探索忆阻器件是否能够复现生物皮层突触中观察到的复杂长期突触动态。
• 研究电场与热驱动切换机制的协同作用在实现长期增强与抑制中的角色。
• 验证忆阻器是否能够支持统一脉冲时序依赖可塑性与赫布型可塑性的三重态规则模型。
• 证明忆阻器的非线性累积行为可实现稳定的长期记忆转变。
• 利用TiO2忆阻器在生物突触可塑性与固态神经形态硬件之间建立桥梁。

提出的方法

• 采用单个固态TiO2忆阻器作为人工突触，研究其在电刺激下的动态电阻变化。
• 施加成对的前突触与后突触脉冲模式以诱导可塑性，模拟生物脉冲时序依赖可塑性（STDP）。
• 在忆阻器模型中整合热效应与电场效应，以模拟双极与单极编程模式。
• 采用三重态规则——一种结合STDP与经典赫布型可塑性的现象学模型——指导并解释实验结果。
• 在长时间尺度上测量电阻转变，以评估长期增强与抑制。
• 分析电阻的累积性非线性演化，以评估记忆保持力与稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 单个TiO2忆阻器能否复现生物皮层突触中观察到的长期突触可塑性？
• RQ2 共存的电场与热驱动切换机制如何促进长期增强与抑制？
• RQ3 三重态规则模型在多大程度上能够描述固态忆阻器件中的可塑性动态？
• RQ4 忆阻器的非线性累积电阻行为是否支持稳定的长期记忆转变？
• RQ5 忆阻器件能否在单一器件中有效模拟脉冲时序依赖可塑性与赫布型关联可塑性？

主要发现

• 单个TiO2忆阻器成功表现出与三重态规则模型一致的关联可塑性现象。
• 电场与热驱动切换机制的共存使单一器件能够实现长期增强与抑制。
• 忆阻器中非线性累积的电阻演化支持在长时间尺度内实现稳定的长期记忆转变。
• 实验结果证实，忆阻器能够模拟脉冲时序依赖可塑性与经典赫布型可塑性两种模式。
• 忆阻器的行为与生物突触的电生理数据高度吻合，验证了其作为神经形态计算基本单元的有效性。
• 本研究证明，忆阻器件可作为可扩展的固态生物突触动态模拟器，无需依赖复杂的多组分系统。