本發(fā)明涉及神經(jīng)計(jì)算，具體地涉及一種自旋軌道矩器件模擬神經(jīng)突觸特征行為的方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，神經(jīng)元接收突觸的輸入信號(hào)，是大腦計(jì)算的核心。突觸可塑性通過(guò)特定模式的突觸活動(dòng)產(chǎn)生突觸權(quán)重變化的生物過(guò)程，前面的神經(jīng)元接收外部刺激，通過(guò)突觸向后面的神經(jīng)元發(fā)射脈沖信號(hào)，會(huì)改變神經(jīng)突觸的權(quán)重，產(chǎn)生興奮性或抑制性電位?？伤苄员徽J(rèn)為是記憶、學(xué)習(xí)和計(jì)算等功能的神經(jīng)基礎(chǔ)。因此，模擬神經(jīng)突觸可塑性，構(gòu)建人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，是未來(lái)實(shí)現(xiàn)神經(jīng)形態(tài)類(lèi)腦計(jì)算機(jī)的關(guān)鍵。

2、研究人員通過(guò)不同的器件來(lái)模擬神經(jīng)突觸，實(shí)現(xiàn)神經(jīng)計(jì)算。電阻式隨機(jī)存儲(chǔ)器和相變式隨機(jī)存儲(chǔ)器被廣泛用來(lái)模擬神經(jīng)突觸，這些器件的電阻變化與神經(jīng)突觸權(quán)重的變化相似。與上述器件相比，自旋器件具有低功耗、高速讀寫(xiě)的優(yōu)勢(shì)，具有模擬神經(jīng)突觸的巨大潛力，但是自旋器件尤其是自旋軌道矩器件模擬神經(jīng)突觸還存在諸多問(wèn)題，比如磁疇在磁性層中的運(yùn)動(dòng)較快，不易被控制；自旋軌道矩器件實(shí)現(xiàn)確定性翻轉(zhuǎn)需要外部磁場(chǎng)的輔助。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明實(shí)施例的目的是提供一種自旋軌道矩器件模擬神經(jīng)突觸特征行為的方法及系統(tǒng)，用于全部或至少部分的解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問(wèn)題。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明實(shí)施例提供一種自旋軌道矩器件模擬神經(jīng)突觸特征行為的方法，所述自旋軌道矩器件為多端霍爾棒結(jié)構(gòu)，包含一個(gè)輸入端和多個(gè)輸出端，所述自旋軌道矩器件模擬神經(jīng)突觸特征行為的方法包括：

3、在自旋軌道矩器件的輸入端的對(duì)電極之間施加連續(xù)變化的脈沖電流；

4、在無(wú)外磁場(chǎng)條件下，將連續(xù)變化的脈沖電流作為模擬神經(jīng)突觸的輸入信號(hào)，將霍爾電阻作為模擬神經(jīng)突觸的輸出；其中，通過(guò)輸出端的位置和電壓調(diào)控來(lái)調(diào)節(jié)神經(jīng)突觸的發(fā)射閾值。

5、可選的，所述自旋軌道矩器件的結(jié)構(gòu)包括：

6、從下到上依次堆疊有襯底、irmn反鐵磁層、cofeb磁性層、mgo和hzo絕緣層、金屬層；其中，在irmn反鐵磁層和cofeb磁性層之間插入w層，在hzo絕緣層和cofeb磁性層之間采用斜入射生長(zhǎng)有楔形mgo層。

7、可選的，所述自旋軌道矩器件的構(gòu)建過(guò)程包括：

8、選擇氧化硅晶圓為襯底，依次使用丙酮、乙醇、去離子水，超聲清洗襯底，最后使用高純氮?dú)獯蹈蓚溆茫?/p>

9、將襯底轉(zhuǎn)移至irmn靶材上方，利用直流電源濺射irmn靶材；

10、利用直流電源濺射w靶材；

11、利用直流電源濺射cofeb靶材，cofeb層為垂直各向異性，反鐵磁irmn和cofeb之間存在耦合作用；

12、利用射頻電源，依次濺射mgo靶材和hzo靶材，其中，制備的mgo層成楔形，使cofeb層的垂直磁矩偏離z軸，產(chǎn)生一個(gè)傾斜角的垂直各向異性，有利于器件在無(wú)外場(chǎng)輔助條件下，實(shí)現(xiàn)自旋軌道矩確定性翻轉(zhuǎn)；

13、利用直流電源，生長(zhǎng)ta，并在空氣中自然氧化成taox，保護(hù)樣品；

14、利用光刻和離子刻蝕技術(shù)制備多端霍爾器件，并利用電子束蒸發(fā)技術(shù)，制備頂電極ti/au；

15、將制備好的自旋軌道矩器件按照預(yù)設(shè)條件進(jìn)行退火，使反鐵磁irmn和cofeb之間形成交換偏置場(chǎng)。

16、可選的，在無(wú)外磁場(chǎng)條件下，將連續(xù)變化的脈沖電流作為模擬神經(jīng)突觸的輸入信號(hào)，將霍爾電阻作為模擬神經(jīng)突觸的輸出，包括：

17、在自旋軌道矩器件輸入端的對(duì)電極之間施加脈沖電流，模擬神經(jīng)突觸的輸入，輸入的脈沖電流流經(jīng)irmn反鐵磁層，由于自旋軌道矩的作用，產(chǎn)生自旋流，進(jìn)入cofeb層并與其磁矩發(fā)生交換作用；

18、若脈沖電流小，cofeb層的磁矩不會(huì)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，輸出端電極檢測(cè)到的霍爾電阻信號(hào)不會(huì)發(fā)生變化，表征神經(jīng)突觸發(fā)生泄漏行為；

19、若脈沖電流大并超過(guò)預(yù)設(shè)閾值，cofeb層的磁矩發(fā)生翻轉(zhuǎn)，輸出端電極檢測(cè)到的霍爾電阻信號(hào)發(fā)生改變，模擬神經(jīng)突觸達(dá)到閾值后的放電行為。

20、可選的，在無(wú)外磁場(chǎng)條件下，將連續(xù)變化的脈沖電流作為模擬神經(jīng)突觸的輸入信號(hào)，將霍爾電阻作為模擬神經(jīng)突觸的輸出，包括：

21、自旋軌道矩器件輸入端的對(duì)電極之間施加脈沖電流，磁疇將沿著對(duì)電極之間的方向運(yùn)動(dòng)，多個(gè)輸出端電極會(huì)依次接收到信號(hào)；

22、在臨界翻轉(zhuǎn)電流附近，連續(xù)正向的脈沖電流將使得霍爾電阻逐漸增大，模擬興奮性神經(jīng)突觸行為，連續(xù)負(fù)向的脈沖電流將使得霍爾電阻逐漸減小，模擬抑制性神經(jīng)突觸行為；其中，由于磁疇的運(yùn)動(dòng)路徑長(zhǎng)度不同，使得突觸具有不同的發(fā)射閾值。

23、可選的，發(fā)射閾值的調(diào)節(jié)包括：

24、在自旋軌道矩器件的頂部電極和底部電極之間施加電壓，mgo和hzo層中的氧離子進(jìn)入cofeb磁性層中，影響cofeb磁性層的磁矩，并降低勢(shì)壘，降低臨界翻轉(zhuǎn)電流，從而調(diào)節(jié)突觸的發(fā)射閾值。

25、可選的，發(fā)射閾值的調(diào)節(jié)包括：

26、通過(guò)在自旋軌道矩器件的頂部電極和底部電極之間施加不同的電壓，獲得不同的發(fā)射閾值。

27、另一方面，本發(fā)明還提供一種自旋軌道矩器件模擬神經(jīng)突觸特征行為的系統(tǒng)，所述自旋軌道矩器件為多端霍爾棒結(jié)構(gòu)，包含一個(gè)輸入端和多個(gè)輸出端，所述自旋軌道矩器件模擬神經(jīng)突觸特征行為的系統(tǒng)包括：

28、電流施加單元，用于在自旋軌道矩器件的輸入端的對(duì)電極之間施加連續(xù)變化的脈沖電流；

29、模擬單元，用于在無(wú)外磁場(chǎng)條件下，將連續(xù)變化的脈沖電流作為模擬神經(jīng)突觸的輸入信號(hào)，將霍爾電阻作為模擬神經(jīng)突觸的輸出；其中，通過(guò)輸出端的位置和電壓調(diào)控來(lái)調(diào)節(jié)神經(jīng)突觸的發(fā)射閾值。

30、另一方面，本發(fā)明還提供一種電子設(shè)備，包括存儲(chǔ)器、處理器及存儲(chǔ)在所述存儲(chǔ)器上并可在所述處理器上進(jìn)行運(yùn)行的計(jì)算機(jī)程序，所述處理器執(zhí)行所述程序時(shí)實(shí)現(xiàn)上述所述的自旋軌道矩器件模擬神經(jīng)突觸特征行為的方法的步驟。

31、另一方面，本發(fā)明還提供一種非暫態(tài)計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，其上存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，所述計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)上述所述的自旋軌道矩器件模擬神經(jīng)突觸特征行為的方法的步驟。

32、通過(guò)上述技術(shù)方案，利用包含一個(gè)輸入端和多個(gè)輸出端呈多端霍爾棒結(jié)構(gòu)的自旋軌道矩器件，通過(guò)調(diào)節(jié)與輸入端和輸出端的距離，模擬不同的閾值的神經(jīng)突觸；而且可以在器件上施加電壓，實(shí)現(xiàn)神經(jīng)突觸閾值動(dòng)態(tài)可調(diào)。通過(guò)不同方式和不同原理，模擬多種不同閾值的神經(jīng)突觸。

33、本發(fā)明實(shí)施例的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將在隨后的具體實(shí)施方式部分予以詳細(xì)說(shuō)明。

技術(shù)特征：

1.一種自旋軌道矩器件模擬神經(jīng)突觸特征行為的方法，其特征在于，所述自旋軌道矩器件為多端霍爾棒結(jié)構(gòu)，包含一個(gè)輸入端和多個(gè)輸出端，所述自旋軌道矩器件模擬神經(jīng)突觸特征行為的方法包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自旋軌道矩器件模擬神經(jīng)突觸特征行為的方法，其特征在于，所述自旋軌道矩器件的結(jié)構(gòu)包括：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自旋軌道矩器件模擬神經(jīng)突觸特征行為的方法，其特征在于，所述自旋軌道矩器件的構(gòu)建過(guò)程包括：

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的自旋軌道矩器件模擬神經(jīng)突觸特征行為的方法，其特征在于，在無(wú)外磁場(chǎng)條件下，將連續(xù)變化的脈沖電流作為模擬神經(jīng)突觸的輸入信號(hào)，將霍爾電阻作為模擬神經(jīng)突觸的輸出，包括：

5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的自旋軌道矩器件模擬神經(jīng)突觸特征行為的方法，其特征在于，在無(wú)外磁場(chǎng)條件下，將連續(xù)變化的脈沖電流作為模擬神經(jīng)突觸的輸入信號(hào)，將霍爾電阻作為模擬神經(jīng)突觸的輸出，包括：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的自旋軌道矩器件模擬神經(jīng)突觸特征行為的方法，其特征在于，發(fā)射閾值的調(diào)節(jié)包括：

7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的自旋軌道矩器件模擬神經(jīng)突觸特征行為的方法，其特征在于，發(fā)射閾值的調(diào)節(jié)包括：

8.一種自旋軌道矩器件模擬神經(jīng)突觸特征行為的系統(tǒng)，其特征在于，所述自旋軌道矩器件為多端霍爾棒結(jié)構(gòu)，包含一個(gè)輸入端和多個(gè)輸出端，所述自旋軌道矩器件模擬神經(jīng)突觸特征行為的系統(tǒng)包括：

9.一種電子設(shè)備，包括存儲(chǔ)器、處理器及存儲(chǔ)在所述存儲(chǔ)器上并可在所述處理器上進(jìn)行運(yùn)行的計(jì)算機(jī)程序，其特征在于，所述處理器執(zhí)行所述程序時(shí)實(shí)現(xiàn)如權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)所述的自旋軌道矩器件模擬神經(jīng)突觸特征行為的方法的步驟。

10.一種非暫態(tài)計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，其上存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，其特征在于，所述計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)如權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)所述的自旋軌道矩器件模擬神經(jīng)突觸特征行為的方法的步驟。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明實(shí)施例提供一種自旋軌道矩器件模擬神經(jīng)突觸特征行為的方法及系統(tǒng)，屬于神經(jīng)計(jì)算領(lǐng)域。自旋軌道矩器件為多端霍爾棒結(jié)構(gòu)，包含一個(gè)輸入端和多個(gè)輸出端，該方法包括在自旋軌道矩器件的輸入端的對(duì)電極之間施加連續(xù)變化的脈沖電流；在無(wú)外磁場(chǎng)條件下，將連續(xù)變化的脈沖電流作為模擬神經(jīng)突觸的輸入信號(hào)，將霍爾電阻作為模擬神經(jīng)突觸的輸出；其中，通過(guò)輸出端的位置和電壓調(diào)控來(lái)調(diào)節(jié)神經(jīng)突觸的發(fā)射閾值。通過(guò)利用包含一個(gè)輸入端和多個(gè)輸出端呈多端霍爾棒結(jié)構(gòu)的自旋軌道矩器件，通過(guò)調(diào)節(jié)與輸入端和輸出端的距離，模擬不同閾值的神經(jīng)突觸；而且可以在器件上施加電壓，實(shí)現(xiàn)神經(jīng)突觸閾值動(dòng)態(tài)可調(diào)。通過(guò)不同方式和原理，模擬多種不同閾值的神經(jīng)突觸。

技術(shù)研發(fā)人員：婁凱華,周永旺,安陽(yáng),馬淑香,劉晗
受保護(hù)的技術(shù)使用者：山東云海國(guó)創(chuàng)云計(jì)算裝備產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/2