引領(lǐng)集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的摩爾定律逐漸接近物理極限，依賴晶體管尺寸縮小的計(jì)算芯片研發(fā)模式正面臨與日俱增的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)馮？諾依曼計(jì)算機(jī)因其物理上處理單元與存儲(chǔ)單元是分離的，將限制能源效率和處理速度。不同于馮？諾依曼架構(gòu)的特點(diǎn)，神經(jīng)形態(tài)計(jì)算架構(gòu)試圖在存儲(chǔ)單元內(nèi)執(zhí)行計(jì)算，其中的每一個(gè)存儲(chǔ)單元都具有與突觸相似的兩端結(jié)構(gòu)，且非線性的I-V特性與離子濃度調(diào)控突觸重量的動(dòng)態(tài)行為類似。再將高度并行的存儲(chǔ)單元組成龐大的陣列或三維堆疊，能夠?qū)崿F(xiàn)模仿人腦的形態(tài)架構(gòu)和認(rèn)知功能，又稱之為類腦計(jì)算。 

　　用于模仿人類神經(jīng)突觸行為的電學(xué)器件對(duì)神經(jīng)形態(tài)計(jì)算的發(fā)展具有重要意義，其中一種通用范式是基于交叉點(diǎn)陣列的突觸器件網(wǎng)絡(luò)，其基本單元通常為突觸晶體管，1-晶體管-1-憶阻器或1-選擇器-1-憶阻器等結(jié)構(gòu)。這些交叉點(diǎn)陣列模仿人腦中突觸的互連拓?fù)?，可用于?shí)現(xiàn)各種智能算法和認(rèn)知功能。  

　　為構(gòu)建1-選擇器-1-憶阻器結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)感-存-算一體功能，中國科學(xué)院上海高等研究院、合肥睿科微電子有限公司、浙江大學(xué)、中國科學(xué)院強(qiáng)磁場(chǎng)中心以及中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所等多家合作團(tuán)隊(duì)，以在室溫附近具有陡峭金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變的二氧化釩（VO2）薄膜作為研究對(duì)象，實(shí)現(xiàn)了在紅外光/電場(chǎng)下的高/低阻態(tài)可逆切換。在此基礎(chǔ)上，將高/低阻態(tài)的電流-電壓參數(shù)編程入卷積核中，與輸入圖像進(jìn)行卷積運(yùn)算后所得到的輸出圖像具有與理論數(shù)值超過99%的相似度，實(shí)現(xiàn)了精確的圖像處理功能。 

　　上述VO2薄膜的金屬-絕緣體相變特性，及其對(duì)紅外光的快速響應(yīng)、易失特性確保邊緣計(jì)算中的數(shù)據(jù)安全性、3D可堆疊的集成潛力，為其在神經(jīng)形態(tài)計(jì)算和感-存-算一體器件的應(yīng)用提供了可能。相關(guān)成果以“Phase-transition-induced VO2 Thin Film Infrared Photodetector and Threshold Switching Selector for Optical Neural Network Applications”為題，發(fā)表在電子材料領(lǐng)域期刊《Advanced Electronic Materials》（IF=6.593），論文第一作者為周茜博士研究生，李東棟研究員和趙亮博士為論文共同通訊作者。（原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aelm.202001254）。 

　　圖1. 交叉點(diǎn)結(jié)構(gòu)TiAu/VO2/TiAu選擇器俯視圖。底電極（Bottom electrodes, BE）和頂電極（Top electrodes, TE）線寬為5μm，圖中比例尺為10μm。

　　圖2. TiAu/VO2/TiAu選擇器隨溫度變化的閾值切換行為，隨著外界溫度升高，激活VO2相變所需焦耳熱降低，因此閾值電壓呈降低趨勢(shì)。 

　　圖3. 基于VO2器件的光學(xué)卷積引擎。(a) VO2 photo-selector模型。(b) 從CIFAR-10數(shù)據(jù)集中選擇的輸入要素圖，在光學(xué)卷積引擎中，輸入圖轉(zhuǎn)換為不同的電壓幅度。(c) 三個(gè)具有3×3像素的卷積核。 (d) 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的示意圖。 (e) 使用卷積核和輸入圖進(jìn)行卷積運(yùn)算后的理論輸出圖。 (f) 使用卷積核結(jié)合VO2 photo-selector特性進(jìn)行卷積運(yùn)算后的輸出圖。