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有望實現大腦啟發式可穿戴個人化運算技術的基礎:有機憶阻器

出處 AIP 作者 劉聖哲摘譯 年份 2020/06/30
報告類型 新聞報導 分類 原子科技及民生應用 資料時間 2020年6月
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        在四月份最近期《應用物理評論(Applied Physics Reviews)》線上期刊上,國立新加坡大學的Sreetosh Goswami、Sreebrata Goswami及Thirumalai Venky Venkatesan三位學者共同發表一篇題名為「以有機方法實現低能耗記憶體和大腦啟發式電子電路(An organic approach to low energy memory and brain inspired electronics)」之論文,描述他們開發的「有機憶阻器(organic memristor)」能仿效大腦神經元保持記憶的方式創造出「大腦啟發式電子電路(brain-inspired electronics)」,未來可望為各種人工智慧(AI)、物聯網(IoT)、或靈活可穿戴之個人化運算技術等應用,提供節能但功能強大、具高度成本效益的基礎。

        在電路學中,電荷(q)、電流(i)、電壓(V)和磁通量(Φ)是四個主要被探討的電機量;電阻器(risitor)、電容器(capacitor)與電感器(inductor)則是三種最基本的電路組成元件,它們分別描述了某兩個電機量間的關係(例如電阻器描述電壓與電流的關係)。而在1971年,華裔知名電機工程教授、人稱「非線性電路理論之父」的蔡少棠教授在發表的一篇論文中,提出應該還有描述電荷(q)與磁通量(Φ)間關係的第四種基本電路元件之假說。此元件的電路效果則是電阻值會隨流過的電流變化而變,當電流停止時電阻值即停止改變,此相當於元件會「記住」先前電流值故稱為「憶阻器」。但直到約40年後的2008年,憶阻器原型才由惠普(HP)公司以雙層二氧化鈦(TiO2)薄膜首次實現出來。

        目前憶阻器正朝奈米級元件之方向開發,其體積小、運作速度快但能耗低、可作為非揮發性記憶體。而電阻值不同的憶阻器還能合成邏輯電路單元;更重要的是,憶阻器之動作與人類大腦神經元的運作特性正好吻合,使得憶阻器在人工智慧、電腦神經網路、大腦啟發式電子電路等應用之開發上備受期待。迄今為止,已有氧化物、氮化物、2D、有機等不同物質與方法來實現憶阻器。其中,以有機材料來實現憶阻器更具有開關動作在空間上可均勻分布、分子功能可調控、以及超低切換能耗(~10-18J)等理論特性,因此有機憶阻器便受到青睞。

        在論文中,研究團隊分析已發表有機憶阻器的缺點,而由Sreetosh Goswami基於「氧化還原活性有機配位基之過渡金屬錯合物(transition metal complexes of redox active organic ligands)」提出一系列符合2015 ITRS RRAM技術路線圖之規範、具有重複擦寫次數高(~1012次)、資料保存時間長(達數月)、開關電壓低(100mV)、開/關比高(> 103)、上升時間低(< 30ns)、開關能量低(< 1fJ)等優良電路特性之新一代有機憶阻器。不過,要如何大規模生產則將是研究團隊未來的挑戰。

圖說:蔡少棠教授由電壓、電荷、電流、電通量之對稱關係中,推論憶阻器之存在。

(本圖摘自維基百科)