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以下文章來源于西安交通大學(xué)材料學(xué)院 ，作者交小材

         ——基于有機(jī)電化學(xué)晶體管的均質(zhì)化感存算一體硬件

感知-存儲(chǔ)-計(jì)算一體硬件顛覆傳統(tǒng)感存算分離馮諾依曼架構(gòu)，是實(shí)時(shí)高效信息感知、處理和反饋一體化人工智能的基礎(chǔ)。然而，常用傳感/存儲(chǔ)/計(jì)算模塊異質(zhì)集成策略在半導(dǎo)體材料和器件架構(gòu)上的異質(zhì)性使其在加工兼容性、電導(dǎo)匹配和集成密度等方面受到限制，且不適合于微型化AI系統(tǒng)的構(gòu)建。開發(fā)基于有機(jī)半導(dǎo)體材料單一有機(jī)電化學(xué)晶體管（OECT）器件，同時(shí)實(shí)現(xiàn)多模態(tài)感知和存算功能，有望大幅減少模塊間信息傳輸、模數(shù)轉(zhuǎn)換帶來的延遲與能耗，提升加工兼容性與集成度。然而，OECT感知性能（易失性）和存算性能（非易失性）之間存在本質(zhì)矛盾——感知功能需要低離子傳輸勢(shì)壘以實(shí)現(xiàn)離子快速穿梭，存算功能需要高離子傳輸勢(shì)壘以實(shí)現(xiàn)離子的長(zhǎng)期存儲(chǔ)。

為了克服上述矛盾，實(shí)現(xiàn)均質(zhì)化多感-存-算一體硬件，西安交大金屬材料強(qiáng)度國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室馬偉教授課題組和香港大學(xué)電氣與電子工程系王中銳教授課題組等單位合作，設(shè)計(jì)了一種溝道高度結(jié)晶的，全貫穿垂直結(jié)構(gòu)的有機(jī)電化學(xué)晶體管（cv-OECTs），這種器件基于離子-電子混合導(dǎo)體材料，其具有高度結(jié)晶和高深寬比的溝道。通過改變柵壓大小可選擇性控制離子注入勢(shì)壘不同的非晶/晶態(tài)相區(qū)，同時(shí)通過柵極界面過程控制，使器件可在易失性/非易失性模式間切換，并表現(xiàn)出優(yōu)異綜合性能。作為傳感單元，其具有高開關(guān)比，和增益性能，65 mv/dec的低亞閾值斜率，可實(shí)現(xiàn)對(duì)多種高頻微弱電生理信號(hào)的實(shí)時(shí)感知。同時(shí)，該器件還可對(duì)、光、熱、化學(xué)等信號(hào)進(jìn)行多模態(tài)感知，大大拓展了信息維度。作為非易失性人工突觸，其具有遠(yuǎn)高于現(xiàn)有各類憶阻器，＞10-bit（1024）的模擬電導(dǎo)狀態(tài)數(shù)量，超低編程隨機(jī)性（△GDS2/σ2≈179）。在32倍動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，具有大于10000秒的電導(dǎo)狀態(tài)保持時(shí)間和低電導(dǎo)漂移。最后，研究人員設(shè)計(jì)了基于上述器件的均質(zhì)化脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)硬件和儲(chǔ)蓄池計(jì)算系統(tǒng)，展示了圖像分類、條件反射、實(shí)時(shí)心臟疾病診斷等實(shí)際應(yīng)用，對(duì)微型化邊緣計(jì)算AI系統(tǒng)的發(fā)展具有重要意義。

圖1. cv-OECT的器件結(jié)構(gòu)，溝道材料/形貌與工作機(jī)理。

圖2. cv-OECT的易失傳感特性。

圖3. cv-OECT的非易失存內(nèi)計(jì)算特性及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

圖4. cv-OECT的感存算均質(zhì)化集成。

相關(guān)研究結(jié)果以《單電化學(xué)晶體管用于多模態(tài)感知，存儲(chǔ)與處理》(An organic electrochemical transistor for multi-modal sensing, memory and processing)為題在線發(fā)表在《自然電子》(Nature Electronics)上，西安交大材料學(xué)院博士生王世杰和香港大學(xué)電氣與電子工程系博士生陳曦為文章共同第一作者，馬偉教授和香港大學(xué)王中銳教授為共同通訊作者。西安交通大學(xué)金屬材料強(qiáng)度國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為第一通訊單位。文章合作者還包括西安交通大學(xué)馬恩教授，張偉教授和李桃教授，西安科技大學(xué)的李宇翔教授。該工作獲得美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，美國(guó)桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室重點(diǎn)評(píng)述得到了國(guó)內(nèi)外專家的廣泛肯定?！蹲匀浑娮印菲诳瑫r(shí)還發(fā)表了由美國(guó)桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室A. Alec Talin教授署名的題為《一種隨需應(yīng)變的有機(jī)器件》(An organic device with volatility on demand)的專題評(píng)述文章，評(píng)論認(rèn)為“精確可調(diào)的突觸和傳感組合行為，在發(fā)展只有生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有的感知和學(xué)習(xí)多功能模擬電路中價(jià)值巨大，使用該器件構(gòu)成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)陣列可以最大限度地減少模數(shù)轉(zhuǎn)換和信息傳輸所帶來的能耗和延遲。同時(shí)該器件本征柔性、環(huán)境穩(wěn)定性和低成本在腦機(jī)接口領(lǐng)域也具備良好的應(yīng)用前景”。