本發(fā)明的領(lǐng)域?yàn)樯窠?jīng)形態(tài)電子電路領(lǐng)域，且更具體地為人工神經(jīng)元領(lǐng)域。

人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)從生物神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)得到啟示，它們模仿生物神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)作。

更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及人工神經(jīng)元的新型設(shè)計(jì)。

本發(fā)明尤其但不僅僅可應(yīng)用在人工智能領(lǐng)域中，且更具體地應(yīng)用在相關(guān)存儲(chǔ)器、圖像和聲音識(shí)別方法領(lǐng)域中，再或者應(yīng)用在通過(guò)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的學(xué)習(xí)或自學(xué)習(xí)方法領(lǐng)域中。例如，這些學(xué)習(xí)方法使得能夠根據(jù)以下原理提取基于真實(shí)數(shù)據(jù)或仿真數(shù)據(jù)組織的知識(shí)：將被認(rèn)為類(lèi)似的數(shù)據(jù)一起分組在相同的組中，而將被認(rèn)為不同的數(shù)據(jù)分配在不同的組中。

背景技術(shù)：

在過(guò)去半個(gè)世紀(jì)，信息技術(shù)的變革與計(jì)算機(jī)的發(fā)展密切相關(guān)?，F(xiàn)在，所有計(jì)算機(jī)根據(jù)被稱(chēng)為馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)的體系結(jié)構(gòu)而被建立。中央處理單元(CPU)和存儲(chǔ)器根據(jù)所述體系結(jié)構(gòu)構(gòu)成單獨(dú)的模塊，所述體系結(jié)構(gòu)對(duì)于某些任務(wù)(例如龐大數(shù)據(jù)流的超速處理)極其有效。

然而，所述體系結(jié)構(gòu)在許多環(huán)境中是無(wú)效的，并且在許多主要類(lèi)型的問(wèn)題中，計(jì)算機(jī)仍趕不上人腦，人腦根據(jù)一種基于神經(jīng)元和生物突觸相混合的網(wǎng)絡(luò)的極不相同的體系結(jié)構(gòu)而工作。

因此，使得可以超越馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)固有的這些限制的一種有前景的途徑為開(kāi)發(fā)模仿人腦體系結(jié)構(gòu)的由神經(jīng)元和人工突觸構(gòu)成的神經(jīng)形態(tài)型電子體系結(jié)構(gòu)。本質(zhì)上，人腦由通過(guò)10¹⁵個(gè)突觸連接在一起的10¹¹個(gè)神經(jīng)元的網(wǎng)絡(luò)組成。數(shù)據(jù)以不同水平的突觸電導(dǎo)(通常被稱(chēng)為突觸權(quán)重)存儲(chǔ)在人腦的記憶中。因此，制造人工腦需要制造模仿神經(jīng)元通過(guò)突觸進(jìn)行互連的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)主要由通過(guò)突觸彼此連接的神經(jīng)元形成。例如，圖1顯示了一種神經(jīng)形態(tài)體系結(jié)構(gòu)，其被稱(chēng)為多層感知器體系結(jié)構(gòu)，由六個(gè)神經(jīng)元(標(biāo)記為10)和十八個(gè)突觸(標(biāo)記為20)形成。突觸權(quán)重由字母w表示。

盡管針對(duì)電子部件的小型化，基于馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)的微電子裝置已經(jīng)達(dá)到了其物理極限，但是這些神經(jīng)形態(tài)體系結(jié)構(gòu)正在研究工作者和工業(yè)家中激起非常大的希望，尤其是關(guān)于能量效率。

已知在現(xiàn)有技術(shù)中存在不同類(lèi)型的人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)。

在大多數(shù)情況下，這些神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是“虛擬的”，即它們使用具有傳統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)由被稱(chēng)為軟件神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)，這降低了它們的效率，尤其是就能量消耗而言。

最近，基于硬件神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的硬件神經(jīng)形態(tài)體系結(jié)構(gòu)已作為有前景的可選方案出現(xiàn)，其中每個(gè)神經(jīng)元和每個(gè)突觸由典型的電子部件構(gòu)成。現(xiàn)在目前，制造這些人工神經(jīng)元和人工突觸需要使用相對(duì)復(fù)雜且耗能多的電子電路。

例如，人工突觸的典型實(shí)現(xiàn)方案需要使用大量的部件，包括十個(gè)以上的晶體管。最近，憶阻器(即偶極子，其電阻取決于通過(guò)它們的電信號(hào)的時(shí)序)的發(fā)現(xiàn)在人工突觸領(lǐng)域中帶來(lái)了重大的概念跳躍。

相比而言，在人工神經(jīng)元領(lǐng)域取得的進(jìn)展要少得多。圖2中示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的多部件人工神經(jīng)元10的一個(gè)示例性實(shí)施例。所述神經(jīng)元10需要在印刷電路上植入大量的電子部件(例如晶體管(例如使用CMOS技術(shù))、放大器和電容器)，所述部件根據(jù)相對(duì)復(fù)雜的體系結(jié)構(gòu)來(lái)布置。不同部件的布置是一項(xiàng)相對(duì)復(fù)雜的操作：由于小型化的需求，必須將大量的部件放置在越來(lái)越小的表面面積上。另外，盡管減小了電子部件的尺寸，但是整個(gè)單元仍然占用難以減小的一定量的表面面積。另外，就集成和能量效率而言，這種復(fù)雜性大大阻礙了電子電路的整體性能。

這種復(fù)雜性可以由這樣一個(gè)事實(shí)來(lái)解釋?zhuān)喝斯ど窠?jīng)元必須實(shí)現(xiàn)許多功能。首先，人工尖峰神經(jīng)元必須對(duì)電脈沖序列的施加作出反應(yīng)。事實(shí)上，其為這種形式的脈沖(“尖峰”)：信息在最有前景的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中循環(huán)。

另外，人工神經(jīng)元必須理想地再現(xiàn)與由LIF(“泄漏積分觸發(fā)”)標(biāo)準(zhǔn)模型描述的行為類(lèi)似的行為，即實(shí)現(xiàn)以下三種功能的行為：積分、泄漏和觸發(fā)。

LIF模型的原理基于對(duì)中在通過(guò)突觸前膜聚集的電荷上的生物神經(jīng)元的簡(jiǎn)化描述。它通過(guò)并聯(lián)連接的電容器C和泄漏電阻器R對(duì)所述膜進(jìn)行建模。當(dāng)人工神經(jīng)元接收到輸入電信號(hào)S(t)時(shí)，LIF模型規(guī)定：

(i)人工神經(jīng)元臨時(shí)對(duì)所述輸入信號(hào)的函數(shù)進(jìn)行積分；

(ii)與由人工神經(jīng)元進(jìn)行的所述積分的結(jié)果對(duì)應(yīng)的量隨著時(shí)間的過(guò)去而弛豫(變成泄漏)。由積分和泄漏兩個(gè)現(xiàn)象導(dǎo)致的電信號(hào)v(t)等于可用于生物神經(jīng)元的突觸前膜；

(iii)當(dāng)電信號(hào)v(t)達(dá)到給定閾值時(shí)，人工神經(jīng)元觸發(fā)輸出信號(hào)(觸發(fā))。

所述模型可由以下等式從數(shù)學(xué)角度上加以概述：

其中：

v(t)表示由人工神經(jīng)元進(jìn)行積分之后的電信號(hào)；

RC表示積分后的信號(hào)的指數(shù)弛豫的特征時(shí)間；

w表示突觸權(quán)重；

S(t)是表示達(dá)到由突觸權(quán)重w進(jìn)行加權(quán)的人工神經(jīng)元的輸入的信息(即電脈沖)的函數(shù)。

LIF模型假設(shè)v(t)的單閾值存在，且與輸入信號(hào)的形狀無(wú)關(guān)，則在超出所述單閾值時(shí)，人工神經(jīng)元LIF觸發(fā)“觸發(fā)”功能。如果輸入電信號(hào)S(t)為相同振幅的方波電脈沖序列，則LIF模型的數(shù)學(xué)推導(dǎo)用于建立以下理論關(guān)系：

其中N_Fire表示觸發(fā)“觸發(fā)”功能所需的電脈沖的數(shù)量；

t_on是每個(gè)電脈沖施加的持續(xù)時(shí)間；t_off是兩個(gè)連續(xù)的電脈沖之間流逝的持續(xù)時(shí)間(參見(jiàn)圖9)；t_Fire是觸發(fā)“觸發(fā)”功能所需的時(shí)間，如果輸入電信號(hào)由持續(xù)時(shí)間大于t_Fire的單個(gè)恒定脈沖構(gòu)成(參見(jiàn)圖10)，則等式t＝RC，弛豫的特征時(shí)間(參見(jiàn)等式(1))。

在現(xiàn)有技術(shù)中，存在已知的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)2014/0035614(Matthew D.Pickett)，其提出了一種使用被命名為“類(lèi)神經(jīng)器件”的電子電路來(lái)實(shí)現(xiàn)“Hodgkin-Huxley”型人工神經(jīng)元的實(shí)現(xiàn)方案?，F(xiàn)在，這種電路使用一定數(shù)量的電子部件(例如電阻器、電容器和憶阻器)，并因此基于以上討論的CMOS晶體管在與傳統(tǒng)人工神經(jīng)元相同的精神下被建立。因此，這種類(lèi)型的神經(jīng)元實(shí)現(xiàn)起來(lái)較復(fù)雜并且就積分而言其性能受到限制。另外，這種類(lèi)型的神經(jīng)元的焦點(diǎn)在于動(dòng)作電位的產(chǎn)生并且無(wú)法實(shí)現(xiàn)LIF模型的三個(gè)主要功能，即泄漏、積分和觸發(fā)。

在此環(huán)境下，簡(jiǎn)化人工神經(jīng)元和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的制造將特別值得去做。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

在至少一個(gè)實(shí)施例中本發(fā)明目的尤其在于克服現(xiàn)有技術(shù)的這些不同的缺點(diǎn)。

更具體地說(shuō)，本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例的目的是提出一種制造簡(jiǎn)單的新型設(shè)計(jì)的人工神經(jīng)元。本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例目的還在于提出一種具有集成到電子電路中的高可能性的人工神經(jīng)元。

本發(fā)明的一個(gè)特定實(shí)施例提出了一種由單部件電偶極子構(gòu)成的人工神經(jīng)元，所述單部件電偶極子包含屬于莫脫絕緣體族且連接到兩個(gè)電極的單一材料。

因此，本發(fā)明提出了一種由單個(gè)單部件電偶極子構(gòu)成的新型設(shè)計(jì)的人工神經(jīng)元。術(shù)語(yǔ)“電偶極子”被理解為指具有兩個(gè)終端的電子部件。

在顯示由電脈沖引起的易失性電阻轉(zhuǎn)變現(xiàn)象的莫脫絕緣體上執(zhí)行的實(shí)驗(yàn)的環(huán)境下，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)了所述材料族的新型特性，這使得可以以比現(xiàn)有技術(shù)簡(jiǎn)單的多的方式實(shí)現(xiàn)人工神經(jīng)元。事實(shí)上，與需要實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的電子電路的現(xiàn)有技術(shù)人工神經(jīng)元不同，根據(jù)本發(fā)明的單部件人工神經(jīng)元由單個(gè)電偶極子構(gòu)成，所述單個(gè)電偶極子自身由包括在兩個(gè)電極之間的絕緣莫脫材料構(gòu)成。當(dāng)所述偶極子經(jīng)受電尖峰脈沖序列(表示來(lái)自突觸的信息)時(shí)，它實(shí)現(xiàn)了如在LIF參考模型中描述的人工神經(jīng)元的三個(gè)基本功能，即積分以及泄漏和觸發(fā)。

所述方案僅實(shí)現(xiàn)了實(shí)現(xiàn)人工神經(jīng)元的所有功能的一個(gè)基本部件，但是對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)更為令人驚奇的是，現(xiàn)有技術(shù)方案基于各種電子部件提出了復(fù)雜的電路。因此，現(xiàn)有技術(shù)提出的方案將使本領(lǐng)域技術(shù)人員把目光轉(zhuǎn)向離開(kāi)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的方法，其中實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的方法與先前建立的方法相反。

此外，因?yàn)槠鋬H實(shí)現(xiàn)了一個(gè)電偶極子，所以根據(jù)本發(fā)明的單部件人工神經(jīng)元需要很少的能量，但是具有集成到電子電路中的高可能性。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)特定方面，人工神經(jīng)元包含輸入和輸出。人工神經(jīng)元使得電偶極子的第一末端包含構(gòu)成人工神經(jīng)元的所述輸入的第一電極以及電偶極子的第二末端包含構(gòu)成人工神經(jīng)元的所述輸出的第二電極。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)特定方面，第一電極和第二電極由屬于包含以下各項(xiàng)的組的導(dǎo)電材料構(gòu)成：

-以下元素中的至少一種：鉑(Pt)、金(Au)、鉬(Mo)、石墨(C)、鋁(Al)、銅(Cu)、摻雜硅(Si)；

-以下合金中的至少一種：黃銅(Cu-Zn)、鋼(Fe-C)、青銅(Cu-Sn)；

-以下過(guò)渡金屬化合物中的至少一種：TiN、TaN、RuO₂、SrRuO₃、CuS₂。

必須注意的是，所述列表不是詳盡的。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)特定方面，所述材料屬于包含以下各項(xiàng)的組：

-通式AM₄Q₈的化合物，其中A包含以下元素中的至少一種：Ga、Ge、Zn；M包含以下元素中的至少一種：V、Nb、Ta、Mo，以及Q包含以下元素中的至少一種：S、Se，Te；

-通式(V_1-xM_x)₂O₃的化合物，其中0≤x≤1，M包含以下元素中的至少一種：Ti、Cr、Fe、Al或Ga；

-通式NiS_2-xSe_x的化合物，其中0≤x≤1；

-通式VO₂的化合物；

-有機(jī)莫脫絕緣體化合物。

必須注意的是，所述列表不是詳盡的。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)特別有利的特征，所述材料采取以下形式：

-基于莫脫絕緣體的晶體塊；或者

-基于莫脫絕緣體的至少一個(gè)薄層；或者

-基于莫脫絕緣體的納米管；或者

-基于莫脫絕緣體的納米線。

因此，人工神經(jīng)元的結(jié)構(gòu)可以采用幾個(gè)特定實(shí)施例。

因此，在第一種情況下(其中材料采取晶體塊的形式)，人工神經(jīng)元的結(jié)構(gòu)可以等同于三維結(jié)構(gòu)。

因此，在第二種情況下(其中材料采取薄層的形式)，人工神經(jīng)元的結(jié)構(gòu)可以等同于二維結(jié)構(gòu)。

因此，在第三種和第四種情況下(其中材料采取納米管或納米線的形式)，人工神經(jīng)元的結(jié)構(gòu)可以等同于一維結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例提出了一種包含通過(guò)人工突觸互連的多個(gè)人工神經(jīng)元的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)，(在人工神經(jīng)元不同的實(shí)施例中的任何一個(gè)中)所述網(wǎng)絡(luò)使得至少一個(gè)人工神經(jīng)元符合以上提及的裝置。

本發(fā)明徹底簡(jiǎn)化了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的制造。在一個(gè)特定實(shí)施例中，可以構(gòu)想出一種人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)，所述人工神經(jīng)元中的一些為根據(jù)本發(fā)明的神經(jīng)元，而另一些為現(xiàn)有技術(shù)的神經(jīng)元。在另一個(gè)實(shí)施例(在所述情況下，其為優(yōu)選實(shí)施例)中，所述網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)人工神經(jīng)元為根據(jù)本發(fā)明的單部件人工神經(jīng)元。

本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例提出了一種包含通過(guò)人工突觸或一組電子部件彼此互連的多個(gè)人工神經(jīng)元的神經(jīng)形態(tài)電子電路，(在人工神經(jīng)元不同的實(shí)施例中的任何一個(gè)中)所述電路使得至少一個(gè)人工神經(jīng)元符合以上提及的裝置。

本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例提出了一種用于制造人工神經(jīng)元的方法，所述方法包含以下步驟：

-獲取屬于莫脫絕緣體族的材料；

-沉積導(dǎo)電材料層：

*在所述莫脫絕緣體材料的第一末端處形成第一電極，

*在所述莫脫絕緣體材料的第二末端處形成第二電極。

因此，根據(jù)本發(fā)明獲得的單部件人工神經(jīng)元制造非常簡(jiǎn)單。必須注意的是，用于沉積電極的步驟可以在沉積莫脫絕緣體之前或之后完成。

根據(jù)一個(gè)特定實(shí)施例，所述獲取材料的步驟包含切割出屬于莫脫絕緣體族的晶體塊的步驟，并且所述沉積導(dǎo)電材料層的步驟根據(jù)所述切割出的晶體塊而完成。

根據(jù)一個(gè)可選實(shí)施例，所述獲取材料的步驟包含基于屬于莫脫絕緣體族的材料在襯底晶片上沉積薄層的步驟，所述在第一末端和第二末端處沉積導(dǎo)電材料層的步驟根據(jù)所述沉積的薄層而完成。

根據(jù)另一個(gè)可選實(shí)施例，所述獲取材料的步驟包含基于屬于莫脫絕緣體族的材料在襯底晶片上沉積納米管或納米線的步驟，所述在第一末端和第二末端處沉積導(dǎo)電材料層的步驟根據(jù)所述沉積的納米管或納米線而完成。

附圖說(shuō)明

通過(guò)以示意性和非窮舉性實(shí)例方式給出的以下描述，且通過(guò)附圖，本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)將顯現(xiàn)，其中：

-已經(jīng)參照現(xiàn)有技術(shù)描述的圖1顯示了由通過(guò)人工突觸(由矩形示出)彼此連接的人工神經(jīng)元(由圓形示出)組成的神經(jīng)形態(tài)體系結(jié)構(gòu)的實(shí)例；

-已經(jīng)參照現(xiàn)有技術(shù)描述的圖2顯示了現(xiàn)有技術(shù)的人工神經(jīng)元的電子線路圖；

-圖3顯示了根據(jù)本發(fā)明的第一特定實(shí)施例的單部件人工神經(jīng)元(3D神經(jīng)元)的結(jié)構(gòu)；

-圖4A、圖4B各自顯示了根據(jù)本發(fā)明的第二特定實(shí)施例的單部件人工神經(jīng)元(2D神經(jīng)元)的結(jié)構(gòu)的實(shí)例；

-圖5A、圖5B、圖5C各自顯示了根據(jù)本發(fā)明的第三特定實(shí)施例的單部件人工神經(jīng)元(1D神經(jīng)元)的結(jié)構(gòu)的實(shí)例；

-圖6顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)特定實(shí)施例的三個(gè)單部件人工神經(jīng)元的網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)；

-圖7A、圖7B、圖7C是顯示說(shuō)明了泄漏積分觸發(fā)(LIF)型的人工神經(jīng)元的工作原理的電信號(hào)的演化的時(shí)序圖；

-圖8示出了用于施加電脈沖并顯示根據(jù)本發(fā)明的單部件人工神經(jīng)元的泄漏積分觸發(fā)(LIF)行為的實(shí)驗(yàn)組裝圖；

-圖9是可被施加到參照?qǐng)D8描述的實(shí)驗(yàn)裝置上的一系列電脈沖的示意圖；

-圖10是示出了在圖8中描述的實(shí)驗(yàn)裝置中由電脈沖引起的易失性電阻轉(zhuǎn)變現(xiàn)象的一組實(shí)驗(yàn)曲線；

-圖11顯示了一方面用于顯示電阻轉(zhuǎn)變的易失性特征且另一方面用于確定與根據(jù)本發(fā)明的單部件人工神經(jīng)元的泄漏現(xiàn)象相關(guān)的弛豫時(shí)間的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)曲線；

-圖12A、圖12B、圖12C顯示了針對(duì)圖8中描述的實(shí)驗(yàn)裝置獲得的一組實(shí)驗(yàn)曲線，其示出了根據(jù)本發(fā)明的單部件人工神經(jīng)元的泄漏積分觸發(fā)(LIF)功能；

-圖13A、圖13B顯示了針對(duì)圖8中描述的實(shí)驗(yàn)裝置獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與LIF模型的理論值之間的相關(guān)性。

具體實(shí)施方式

在本文件的所有圖中，相同的元件由相同的附圖標(biāo)記表示。

本發(fā)明提出了一種符合泄漏積分觸發(fā)(LIF)參考模型的新型設(shè)計(jì)的單部件人工神經(jīng)元。

圖3顯示了根據(jù)本發(fā)明的第一特定實(shí)施例的單部件人工神經(jīng)元30的結(jié)構(gòu)的實(shí)例(三維結(jié)構(gòu))。

在所述圖中示出的單部件人工神經(jīng)元30由單個(gè)電偶極子組成，所述單個(gè)電偶極子包含屬于莫脫絕緣體族的材料(例如通式GaTa₄Se₈的化合物)的晶體塊31，所述晶體塊31由兩個(gè)電極32和33連接。這兩個(gè)電極32和33各自由導(dǎo)電材料構(gòu)成。

如下文參照?qǐng)D8至圖13更加詳細(xì)描述的，根據(jù)本發(fā)明而獲得的單部件人工神經(jīng)元30為泄漏積分觸發(fā)型，即它實(shí)現(xiàn)了根據(jù)LIF參考模型的人工神經(jīng)元的三個(gè)功能。

在所述實(shí)例中，莫脫絕緣材料31為厚20μm、長(zhǎng)300μm和寬200μm的切割晶體塊。每個(gè)電極通常采取厚0.1μm、長(zhǎng)300μm和寬200μm的薄層形式。必須注意的是，這些尺寸完全是作為示例給出的，并且當(dāng)然可以不同。

在所述特定實(shí)施例中，由于晶體塊31為3D結(jié)構(gòu)，所以根據(jù)本發(fā)明的神經(jīng)元30等同于3D人工神經(jīng)元。

通常，可以?xún)?yōu)化莫脫絕緣體晶體塊31的尺寸、電極32、33及其相對(duì)于所述晶體塊的布置以及材料的選擇，從而使得由此獲得的單部件人工神經(jīng)元30可以享有最佳性能(就電偶極子相對(duì)于人工神經(jīng)元的LIF模型下預(yù)期的性能的響應(yīng)的質(zhì)量、結(jié)構(gòu)集成等而言)。

在下文，給出了用于制造圖3中示出的單部件人工神經(jīng)元30的方法的主要步驟的描述。

首先，切割出由GaTa₄Se₈制成的晶體塊。由GaTa₄Se₈制成的所述晶體塊構(gòu)成單部件人工神經(jīng)元30的功能材料。然后，在晶體塊31的相對(duì)面上沉積構(gòu)成人工神經(jīng)元的輸入電極32(在圖中表示為INPUT)和輸出電極33(在圖中表示為OUTPUT)的導(dǎo)電材料。

通?？赏ㄟ^(guò)直接施加到導(dǎo)電涂料的晶體的表面或者通過(guò)使用沉積技術(shù)(例如焦耳效應(yīng)蒸發(fā)或磁控管濺射(PVD或物理氣相沉積))完成所述沉積。

圖4A和4B顯示了根據(jù)本發(fā)明的第二特定實(shí)施例的單部件人工神經(jīng)元30的結(jié)構(gòu)的兩個(gè)實(shí)例(二維結(jié)構(gòu))。

在圖4A中示出的單部件人工神經(jīng)元40A由包含材料層41A的單個(gè)電偶極子構(gòu)成，所述材料層41A屬于莫脫絕緣體族(例如通式GaV₄S₈的化合物)，其通過(guò)兩個(gè)導(dǎo)電電極42A和43A連接。

電偶極子由絕緣體襯底44A支撐。因此，電偶極子40A，作為單個(gè)基本電子部件，表現(xiàn)類(lèi)似于人工神經(jīng)元，并且絕緣體襯底44A僅扮演本發(fā)明的裝置的支撐件的角色。如下文更加詳細(xì)描述的，參照?qǐng)D9至圖13，根據(jù)本發(fā)明而獲得的單部件人工神經(jīng)元40A為泄漏積分觸發(fā)型，即它實(shí)現(xiàn)了符合參考模型LIF的人工神經(jīng)元的三個(gè)功能。

在這里示出的示例性實(shí)施例中，第一電極42A具有L形形狀并且部分地設(shè)置在莫脫絕緣體層41A的第一末端上，其他部分在絕緣體襯底44A上延伸。所述電極形成單部件人工神經(jīng)元40A的輸入(在圖中被表示為INPUT)。第二電極43A具有L形形狀并且部分地設(shè)置在莫脫絕緣體層41A的第二末端上，其他部分在絕緣體襯底44A上延伸。所述電極形成單部件人工神經(jīng)元40A的輸出(在圖中被表示為OUTPUT)。

這里可以觀察到，這組電極42A、43A被設(shè)置在莫脫絕緣體層41A上，換句話(huà)說(shuō)，一旦將莫脫絕緣體層41A沉積在襯底44A上，將這組電極放置在那里。當(dāng)然這是一個(gè)特定結(jié)構(gòu)的實(shí)例。清楚的是，可以構(gòu)想出許多其他單部件人工神經(jīng)元機(jī)構(gòu)，而不脫離本發(fā)明的框架。尤其可以例如規(guī)劃一種這樣的神經(jīng)元結(jié)構(gòu)：根據(jù)所述神經(jīng)元結(jié)構(gòu)，將電極布置在莫脫絕緣體層41A上(在圖6所示的特定實(shí)施例中就是這種情況)。還可以例如規(guī)劃出將莫脫絕緣體層夾在電極之間，如圖4B所示。類(lèi)似地，電極的形狀和尺寸還可以根據(jù)所需的神經(jīng)形態(tài)體系結(jié)構(gòu)改變。

在圖4B中示出的單部件人工神經(jīng)元40B由包含材料層41B的單個(gè)電偶極子構(gòu)成，所述材料層41B通式為GaV₄S₈，其被夾在電極42B與43B之間。所述整個(gè)單元被設(shè)置在襯底晶片44B上。

在這兩個(gè)實(shí)例中，莫脫絕緣體材料層為厚0.1μm、長(zhǎng)20μm和寬1μm的薄層。每個(gè)電極具有0.1μm的厚度。

下面在所述文件中，術(shù)語(yǔ)“薄層”被理解為是指材料層，所述材料層的厚度通常小于10μm，與之相反的是“厚層”，所述厚層的厚度通常大于10μm。

必須注意的是，這些尺寸完全是作為示例給出的，并且當(dāng)然可以不同。

在所述特定實(shí)施例中，莫脫絕緣體材料薄層被認(rèn)為具有二維(2D)結(jié)構(gòu)。因此，根據(jù)本發(fā)明的神經(jīng)元40A或40B可以等同于二維(2D)人工神經(jīng)元。

通常，可以?xún)?yōu)化莫脫絕緣體層的尺寸、金屬電極及其相對(duì)于所述層的布置，以及材料的選擇，從而使得因此獲得的單部件人工神經(jīng)元可以受益于更佳的性能(就電偶極子相對(duì)于人工神經(jīng)元的LIF模型下預(yù)期的性能的質(zhì)量響應(yīng)、結(jié)構(gòu)集成等而言)。

下文提供了用于制造圖4A中所示的單部件人工神經(jīng)元40A的方法的主要步驟的描述。

首先，在襯底晶片(例如氧化的硅的晶片)上沉積GaV₄S₈層。所述GaV₄S₈層構(gòu)成單部件人工神經(jīng)元40A的功能材料。所述沉積通?？梢酝ㄟ^(guò)沉積技術(shù)(例如焦耳效應(yīng)蒸發(fā)、磁控管濺射(PVD)、脈沖激光沉積(PLD)、原子層沉積(ALD)、化學(xué)溶液沉積(CSD)、絲網(wǎng)印刷沉積、旋涂/浸涂沉積)來(lái)完成。然后，如以上參照?qǐng)D3所解釋的，沉積構(gòu)成神經(jīng)元的輸入電極42A和輸出電極43A的金屬材料。

對(duì)于單部件人工神經(jīng)元40B，首先根據(jù)例如焦耳效應(yīng)蒸發(fā)或磁控管濺射技術(shù)，在襯底晶片(例如氧化的硅的晶片)上沉積構(gòu)成輸出電極43B的金屬材料層。然后，使用以上參照?qǐng)D4A描述的沉積技術(shù)中的一種在所述金屬材料層43B上沉積單部件人工神經(jīng)元40B的功能材料41B。最后，沉積構(gòu)成神經(jīng)元的輸入電極42B的另一金屬材料層。

圖5A和5B顯示了根據(jù)本發(fā)明的第三特定實(shí)施例的單部件人工神經(jīng)元的結(jié)構(gòu)的兩個(gè)實(shí)例(一維結(jié)構(gòu))。

圖5A中示出的單部件人工神經(jīng)元50A由單個(gè)電偶極子構(gòu)成，所述單個(gè)電偶極子包含通式為(V_1-xCr_x)₂O₃、由兩個(gè)電極52A和53A連接的莫脫絕緣體納米線51A。

電偶極子由絕緣體襯底54A支撐。因此，電偶極子50A，作為單個(gè)基本電子部件，表現(xiàn)類(lèi)似于人工神經(jīng)元，絕緣體襯底54A僅履行了用于本發(fā)明的裝置的支撐件的角色。如下文參照?qǐng)D8至圖13更加詳細(xì)描述的，根據(jù)本發(fā)明而獲得的單部件人工神經(jīng)元50A為泄漏積分觸發(fā)型，即它實(shí)現(xiàn)了根據(jù)LIF參考模型的人工神經(jīng)元的三個(gè)功能。

這里示出的示例性實(shí)施例中，第一電極53A部分地設(shè)置在莫脫絕緣體納米線51A的第一末端的下面，其他部分在絕緣體襯底54A上延伸。所述電極形成單部件人工神經(jīng)元50A的輸入(在圖中被表示為INPUT)。第二電極53A部分地設(shè)置在莫脫絕緣體納米線51A的第二末端的下面，其他部分在絕緣體襯底54A上延伸。所述電極形成單部件人工神經(jīng)元50A的輸出(在圖中被表示為OUTPUT)。

這里觀察到，這組電極52A、53A被設(shè)置在莫脫絕緣體納米線51A的下面，換句話(huà)說(shuō)，莫脫絕緣體納米線51A沒(méi)有被設(shè)置在襯底54A上。當(dāng)然，這是特定結(jié)構(gòu)的一個(gè)實(shí)例。清楚的是，可以構(gòu)想出許多其他結(jié)構(gòu)的單部件人工神經(jīng)元，而不脫離本發(fā)明的框架。

在下文，對(duì)用于制造圖5A中所示的單部件人工神經(jīng)元50A的方法的主要步驟進(jìn)行了描述。

方法首先開(kāi)始于在襯底晶片(例如硅的晶片)上沉積構(gòu)成神經(jīng)元的兩個(gè)電極(即輸入電極和輸出電極)的金屬材料層。所述沉積通?？梢酝ㄟ^(guò)以下技術(shù)中的一種來(lái)完成：焦耳效應(yīng)蒸發(fā)、磁控管濺射(PVD)、脈沖激光沉積(PLD)、原子層沉積(ALD)、化學(xué)溶液沉積(CSD)、絲網(wǎng)印刷沉積、旋涂/浸涂沉積。然后，將納米線以同時(shí)接觸電極52A和53A的方式定位，所述納米線已通過(guò)例如汽液固(VLS)方法或模板初步合成。

圖5B的實(shí)例與圖5A的實(shí)例的不同在于人工神經(jīng)元不是由莫脫絕緣體納米線構(gòu)成，而是由莫脫絕緣體納米管51B構(gòu)成。所述人工神經(jīng)元50B的結(jié)構(gòu)的其余部分與人工神經(jīng)元50A相同。導(dǎo)電輸入電極52B被布置在納米管51B下面其一個(gè)末端處，且導(dǎo)電輸出電極53B被布置在納米管51B下面其另一個(gè)末端處，整個(gè)單元被設(shè)置在絕緣體襯底54B上。

在圖5C中示出的人工神經(jīng)元50C由包含莫脫絕緣體納米線51C的電偶極子構(gòu)成，所述莫脫絕緣體納米線51C通式為V_2-xCr_xO₃，其通過(guò)兩個(gè)電極52C和53C連接。

在所述第三實(shí)例中，電偶極子被支撐在通常為L(zhǎng)形的絕緣體襯底54C上，所述絕緣體襯底54C具有兩個(gè)明顯平行的表面56和57，形成人工神經(jīng)元的輸入電極52C和輸出電極53C的材料層被分別布置在表面56和57上。這兩個(gè)表面56和57通過(guò)第三表面58連接，納米線51C被布置在第三表面58上，從而使得所述納米線的末端部分連接到神經(jīng)元的輸入電極52C和輸出電極53C。

首先，例如通過(guò)焦耳效應(yīng)蒸發(fā)在L形襯底上在表面57處沉積構(gòu)成神經(jīng)元的輸出電極53C的金屬材料層。然后，布置納米線51C，使得其末端中的一個(gè)與輸出電極53C接觸，使得納米線的圓周表面的一部分沿著表面58朝向表面56延伸，所述納米線已通過(guò)例如汽液固(VLS)方法或模板初步合成。最后，例如通過(guò)焦耳效應(yīng)蒸發(fā)在納米線或表面56的自由末端處沉積另一金屬材料層以構(gòu)成神經(jīng)元的輸入電極52C。

在所述特定實(shí)施例中，莫脫絕緣體納米線或納米管被認(rèn)為具有一維(1D)結(jié)構(gòu)。因此，根據(jù)本發(fā)明的神經(jīng)元50A、50B或50C可以等同于一維(1D)人工神經(jīng)元。

在如上所述的人工神經(jīng)元中，在其不同的實(shí)施例(1D、2D、3D)的任何一個(gè)中，輸入電極和輸出電極可以由以下材料中的一種制成：?jiǎn)我辉兀玢K(Pt)、金(Au)、銀(Ag)、鉬(Mo)、石墨(C)、鋁(Al)、銅(Cu)、摻雜硅(Si)；或者合金，例如黃銅、鋼、青銅；再或者過(guò)渡金屬的化合物，例如TiN、TaN、RuO₂、SrRuO₃、CuS₂。

鑒于人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的集成，如以上在其不同的實(shí)施例(1D、2D、3D)中的任何一個(gè)中描述的單部件人工神經(jīng)元的每個(gè)電極被構(gòu)造成連接到一個(gè)或多個(gè)人工突觸(在圖中未示出)，例如根據(jù)圖1中示出的神經(jīng)形態(tài)體系結(jié)構(gòu)的人工突觸w(其中每個(gè)人工神經(jīng)元被構(gòu)造成在輸入處連接到一組三個(gè)突觸以及在輸出處連接到一組三個(gè)突觸)。

根據(jù)本發(fā)明的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)包含通過(guò)人工突觸互連的多個(gè)人工神經(jīng)元。在一個(gè)特定實(shí)施例(“降級(jí)”模式)中，可以構(gòu)想出一種人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)，所述人工神經(jīng)元中的一些為根據(jù)本發(fā)明的單部件人工神經(jīng)元，而另一些為現(xiàn)有技術(shù)的神經(jīng)元。在另一個(gè)實(shí)施例(優(yōu)選實(shí)施例)中，人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)人工神經(jīng)元為根據(jù)本發(fā)明定義的單部件人工神經(jīng)元。

圖6顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)特定實(shí)施例的三個(gè)單部件人工神經(jīng)元60₁、60₂、60₃的網(wǎng)絡(luò)。

單部件人工神經(jīng)元60₁由包含由GaV₄S₈材料制成的薄層61₁的電偶極子形成，薄層61₁的末端被放置成與扮演神經(jīng)元的輸入/輸出角色的一組金屬電極接觸：所述GaV₄S₈層的第一末端與輸入電極62₁接觸以及所述GaV₄S₈層的第二末端與輸出電極63₁接觸。

單部件人工神經(jīng)元60₃由包含GaV₄S₈材料薄層61₃的電偶極子形成，薄層61₃的末端被放置成與扮演神經(jīng)元的輸入/輸出角色的一組金屬電極接觸：所述GaV₄S₈層的第一末端與輸入電極62₃接觸以及所述GaV₄S₈層的第二末端與輸出電極63₃接觸。

每個(gè)單部件人工神經(jīng)元通過(guò)以上參照附圖3描述的制造方法在絕緣體襯底晶片64上獲得，除此之外，本文的輸入/輸出電極具有直的細(xì)長(zhǎng)形狀并且被放置在GaV₄S₈薄層下面。

可以構(gòu)想出這樣一種情況：這些單部件人工神經(jīng)元可以在每個(gè)神經(jīng)元的輸入(INPUT)和輸出(OUTPUT)處連接到人工突觸(在圖中未示出)，從而集成為人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(例如圖1中所示的神經(jīng)形態(tài)體系結(jié)構(gòu)，其中每個(gè)神經(jīng)元在輸入處連接到一組三個(gè)突觸以及在輸出處連接到一組三個(gè)突觸。

還可以構(gòu)想出一方面具有大于三個(gè)的多個(gè)人工神經(jīng)元且另一方面包含基于莫脫絕緣體晶體塊或者基于莫脫絕緣體薄層或者基于莫脫絕緣體納米線或納米管的人工神經(jīng)元的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的制造。

圖7A、圖7B、圖7C是示出說(shuō)明了泄漏積分觸發(fā)(LIF)型的人工神經(jīng)元的工作原理的電信號(hào)的演化的時(shí)序圖。

LIF型人工神經(jīng)元接收由突觸權(quán)重w進(jìn)行加權(quán)的一組脈沖S(t)(圖7A)。然后，人工神經(jīng)元臨時(shí)對(duì)所述輸入信號(hào)的函數(shù)進(jìn)行積分；與由人工神經(jīng)元進(jìn)行的所述積分的結(jié)果對(duì)應(yīng)的量最后是弛豫的(它是泄漏的)，從而得到信號(hào)v(t)(圖7B)。信號(hào)v(t)是可用于生物神經(jīng)元的突觸前膜的當(dāng)量。當(dāng)信號(hào)v(t)達(dá)到給定閾值時(shí)，人工神經(jīng)元觸發(fā)輸出信號(hào)(觸發(fā))。所述輸出信號(hào)S_out(t)(圖7C)為脈沖，其形狀在LIF模型中沒(méi)有明確定義。

因此，根據(jù)LIF模型的人工神經(jīng)元實(shí)現(xiàn)了以下三個(gè)功能：積分以及泄漏和觸發(fā)。以下描述的實(shí)驗(yàn)部分表明，莫脫絕緣體具有表現(xiàn)類(lèi)似于根據(jù)LIF模型的人工神經(jīng)元所需的特性。

圖8是用于施加電脈沖以及用于突出顯示根據(jù)本發(fā)明的單部件人工神經(jīng)元的泄漏積分觸發(fā)(LIF)行為的實(shí)驗(yàn)組裝圖。

它包含與實(shí)驗(yàn)裝置串聯(lián)安裝的電脈沖發(fā)生器83，所述實(shí)驗(yàn)裝置由扮演人工突觸角色的“w”表示的電導(dǎo)84構(gòu)成，所述電導(dǎo)84自身與布置在兩個(gè)金屬電極81與82之間的由功能材料80制成的晶體塊串聯(lián)安裝。

目的是測(cè)試功能材料80對(duì)發(fā)生器83發(fā)出的不同系列電脈沖的施加的響應(yīng)。在此，功能材料80為已被初步合成且然后被剪切的GaTa₄Se₈晶體塊。這是屬于莫脫絕緣體族AM₄Q₈的化合物中的一種，其中A包含以下元素中的至少一種：Ga、Ge、Zn；M包含以下元素中的至少一種：V、Nb、Ta、Mo；且Q包含以下元素中的至少一種：S、Se、Te。

功能材料80通常具有以下尺寸：長(zhǎng)300μm、寬200μm和厚20μm。兩個(gè)金屬電極81和82例如通過(guò)碳漆形成。

電導(dǎo)“w”84兩端的電壓(表示為V_w)和功能材料80兩端的電壓(表示為V)通過(guò)示波器測(cè)量。根據(jù)關(guān)系V_total＝V+V_w定義脈沖的電壓，且根據(jù)歐姆定律R＝V/I計(jì)算功能材料的電阻(表示為R)，其中I＝w V_w。

實(shí)際上為了簡(jiǎn)化組裝，功能材料80僅從一個(gè)脈沖發(fā)生器83接收電信號(hào)。然而，將所述功能材料連接到幾個(gè)不同的脈沖源，以便模擬人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中可能存在的大量突觸連接不存在阻礙。

圖9示意性地示出了由發(fā)生器發(fā)出的一系列電脈沖的主要特征：電脈沖的持續(xù)時(shí)間t_ON、兩個(gè)連續(xù)脈沖之間流逝的持續(xù)時(shí)間t_OFF、每個(gè)脈沖的電壓V_total以及連續(xù)發(fā)出的脈沖的數(shù)量N。

圖10示出了當(dāng)圖8的電路經(jīng)受具有較長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間(大于100μs)和大約60V的振幅的單個(gè)電脈沖時(shí)功能材料80的響應(yīng)。在此，所述響應(yīng)以在功能材料80的兩端上獲得的電壓V、流經(jīng)其的電流I及其電阻R為特征。

在電脈沖開(kāi)始之后等于大約70μs(t_Fire＝70μs)的持續(xù)時(shí)間結(jié)束時(shí)，觀察到在功能材料80的終端處電壓V突然下降，伴隨的是通過(guò)功能材料80的電流I的大幅增加(參見(jiàn)圖10中所示的特征I(t)和V(t))，以及因此導(dǎo)致的電阻的大幅下降。這些實(shí)驗(yàn)曲線突出顯示了從電場(chǎng)閾值開(kāi)始的電阻轉(zhuǎn)變的物理現(xiàn)象。對(duì)于化合物GaTa₄Se₈，閾值電場(chǎng)的值為大約等于2.5kV/cm，在所述實(shí)例中其對(duì)應(yīng)于等于10V的閾值電壓(V_threshold)。電場(chǎng)的閾值根據(jù)莫脫絕緣體化合物的縫隙的能量的冪次定律而改變，并因此可根據(jù)所述關(guān)系進(jìn)行確定。因此，通過(guò)選擇所使用的莫脫絕緣體，可以根據(jù)所需特征優(yōu)化所述閾場(chǎng)的值。

圖11示出了針對(duì)圖8的實(shí)驗(yàn)組裝的功能材料獲得的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)曲線，其用于說(shuō)明功能材料的電阻在脈沖之后回到其初始狀態(tài)的事實(shí)以及因此電阻轉(zhuǎn)變是易失性的事實(shí)。

這些實(shí)驗(yàn)曲線在與圖10、圖12A-12C中描述的那些條件相同的條件下獲得。第一曲線圖示出了施加到功能材料80的電壓V_total的進(jìn)展以及第二曲線圖示出了其電阻隨著時(shí)間的過(guò)去的進(jìn)展。

可以看出，在進(jìn)行電阻轉(zhuǎn)變之后(即在由于電脈沖導(dǎo)致電阻大幅下降之后)，功能材料80的電阻R變得弛豫，直到它根據(jù)下降的指數(shù)關(guān)系達(dá)到其平衡狀態(tài)。提煉圖11的插入標(biāo)記A中所示的數(shù)據(jù)使得可以確定特征弛豫時(shí)間：τ≈610μs。

因此，電脈沖的施加使得所述材料的電阻被制成以易失性方式在至少兩種不同的電阻狀態(tài)之間進(jìn)行改變?；谒鲇^察，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，可以利用莫脫絕緣體的這種特性實(shí)現(xiàn)泄漏積分觸發(fā)(LIF)型的單部件人工神經(jīng)元。

現(xiàn)在參照?qǐng)D12A、圖12B、圖12C，其顯示了針對(duì)功能材料80獲得的一組實(shí)驗(yàn)曲線，它們說(shuō)明了根據(jù)本發(fā)明的單部件人工神經(jīng)元的泄漏積分觸發(fā)(LIF)功能的可行性。

圖12A示出了當(dāng)圖8的電路經(jīng)受持續(xù)時(shí)間為t_ON＝15μs的一系列六個(gè)電脈沖時(shí)功能材料80的響應(yīng)(輸出信號(hào)為電流I的強(qiáng)度)，其中一系列六個(gè)電脈沖彼此隔開(kāi)持續(xù)時(shí)間t_OFF＝30μs，并且振幅為大約60V(輸入電壓V_total)。

在將一系列六個(gè)電脈沖施加到功能材料80之后，觀察到流經(jīng)功能材料80的電流I突然增加。當(dāng)施加第六個(gè)電脈沖時(shí)電流I的這種大幅增加的突然出現(xiàn)表明信號(hào)(“尖峰”)已被功能材料80觸發(fā)。

這個(gè)結(jié)果是非常重要的，因?yàn)樗C明了功能材料首先執(zhí)行“觸發(fā)”功能且其次執(zhí)行輸入信號(hào)V_total的函數(shù)的積分功能。事實(shí)上，每個(gè)電脈沖自身并不具有任何顯著的作用，因?yàn)槠涑掷m(xù)時(shí)間小于t_fire＝70μs(參見(jiàn)圖10)，而幾個(gè)連續(xù)的電脈沖具有引起“觸發(fā)”現(xiàn)象的作用。因此，這個(gè)結(jié)果顯示了“觸發(fā)”和“積分”功能(即LIF模型的三個(gè)功能中的兩個(gè)功能)的性能。

積分現(xiàn)象同樣由一系列實(shí)驗(yàn)證實(shí)，通過(guò)將兩個(gè)連續(xù)脈沖之間的持續(xù)時(shí)間t_OFF保持為恒定值且通過(guò)使電脈沖的持續(xù)時(shí)間t_ON改變而執(zhí)行所述一系列實(shí)驗(yàn)。

圖12B示出了當(dāng)圖8的電路經(jīng)受持續(xù)時(shí)間為t_ON＝20μs的一系列四個(gè)電脈沖時(shí)功能材料80的響應(yīng)(輸出信號(hào)I)，其中一系列四個(gè)電脈沖彼此隔開(kāi)持續(xù)時(shí)間t_OFF＝30μs，并且其振幅為大約60V(輸入信號(hào)V_total)。因此，圖12B顯示了與針對(duì)圖12A描述的實(shí)驗(yàn)相同的實(shí)驗(yàn)，但是具有增加的施加到功能材料的電脈沖的持續(xù)時(shí)間t_ON(持續(xù)時(shí)間t_ON為15至20μs)。

這里可以看出，當(dāng)電脈沖的持續(xù)時(shí)間t_ON增加時(shí)，功能材料80觸發(fā)輸出信號(hào)(“尖峰”)所需的脈沖的數(shù)量減少(所需的脈沖數(shù)量為6至4)。在此同樣，這使得可以表明實(shí)驗(yàn)裝置能夠?qū)崿F(xiàn)“積分”和“觸發(fā)”功能，即LIF標(biāo)準(zhǔn)模型的三個(gè)功能中的兩個(gè)功能。

圖12C顯示了與圖12A中描述的實(shí)驗(yàn)相同的實(shí)驗(yàn)，但是具有更高的兩個(gè)連續(xù)脈沖之間的持續(xù)時(shí)間t_OFF(170μs，之前例子中為30μs)。結(jié)果非常清楚：功能材料80觸發(fā)輸出信號(hào)(“尖峰”)所需的電脈沖的數(shù)量增加，為六至八個(gè)脈沖。這證明，由功能材料積分的信號(hào)隨著時(shí)間過(guò)去而弛豫，導(dǎo)致泄漏形式。這表明功能材料不僅能夠?qū)崿F(xiàn)LIF標(biāo)準(zhǔn)模型的積分和觸發(fā)功能還能夠?qū)崿F(xiàn)泄漏功能。

圖13顯示了觸發(fā)(N_Fire)所需的脈沖的數(shù)量與在與圖12A-圖12C中描述的那些類(lèi)似的實(shí)驗(yàn)期間獲得的持續(xù)時(shí)間t_on(圖13A)和持續(xù)時(shí)間t_off(圖13B)的實(shí)驗(yàn)相關(guān)性。

可以看出，實(shí)驗(yàn)點(diǎn)和理論關(guān)系之間存在非常緊密的匹配：

在方波電脈沖(上文參照現(xiàn)有技術(shù)已描述了其原理)的情況下，其由LIF模型的數(shù)學(xué)推導(dǎo)獲得。

這種非常緊密的匹配是最值得注意的，因?yàn)橛捎诔掷m(xù)時(shí)間t_Fire和弛豫時(shí)間τ已被設(shè)置為實(shí)驗(yàn)值(t_Fire＝70μs以及τ＝610μs)，所以理論相關(guān)性不包含可調(diào)參數(shù)。這表明LIF模型的數(shù)學(xué)預(yù)測(cè)(等式(2))可被應(yīng)用于本發(fā)明的基于莫脫絕緣體的單部件人工神經(jīng)元。這種非常高的匹配證明，存在單積分閾值，而與時(shí)間t_on和t_off無(wú)關(guān)，超過(guò)所述單積分閾值時(shí)，根據(jù)本發(fā)明的人工神經(jīng)元觸發(fā)觸發(fā)功能。

因此，所有這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明基于莫脫絕緣體GaTa₄Se₈的實(shí)驗(yàn)裝置80實(shí)現(xiàn)了通過(guò)LIF模型(“泄漏積分觸發(fā)”)描述的三個(gè)基本功能，即超過(guò)閾值的積分以及泄漏和觸發(fā)。另外，這些結(jié)果表明，針對(duì)根據(jù)本發(fā)明的人工神經(jīng)元，可以預(yù)測(cè)產(chǎn)生“觸發(fā)”功能所需的電脈沖。

以上在單部件人工神經(jīng)元的不同實(shí)施例(1D、2D、3D)中的任何一個(gè)中描述的單部件人工神經(jīng)元是基于具有通式GaTa₄Se₈或者GaV₄S₈的莫脫絕緣體的使用。清楚的是，可以將屬于莫脫絕緣體族的任何其他材料構(gòu)想為單部件人工神經(jīng)元的功能材料，而不脫離本發(fā)明的框架，例如：

-通式AM₄Q₈的化合物，其中A包含以下元素中的至少一種：Ga、Ge、Zn；M包含以下元素中的至少一種：V、Nb、Ta、Mo；以及Q包含以下元素中的至少一種：S、Se、Te；

-通式(V_1-xM_x)₂O₃的化合物，其中0≤x≤1，M包含以下元素中的至少一種：Ti、Cr、Fe、Al或Ga；

-通式NiS_2-xSe_x的化合物，其中0≤x≤1；

-通式VO₂的化合物；

-有機(jī)莫脫絕緣體化合物。