當(dāng)前，人類社會(huì)正由信息化向智能化發(fā)展。智能化社會(huì)的構(gòu)建需要信息技術(shù)系統(tǒng)能夠?qū)ν饨绛h(huán)境信息進(jìn)行實(shí)時(shí)獲取、高效處理并及時(shí)做出決策。發(fā)展“感存算一體化”的低功耗智能信息處理系統(tǒng)是其重要趨勢(shì)。脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為下一代神經(jīng)形態(tài)計(jì)算技術(shù)，是構(gòu)建高能效存算一體數(shù)據(jù)處理中心的理想選擇。為實(shí)現(xiàn)脈沖機(jī)制的感存算一體智能處理系統(tǒng)，需要構(gòu)建高效的感知信息接口（生物學(xué)上稱為傳入神經(jīng)）來建立脈沖數(shù)據(jù)處理中心與傳感器之間的實(shí)時(shí)聯(lián)系。

　　近日，中國科學(xué)院微電子研究所重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室劉明團(tuán)隊(duì)與美國馬薩諸塞大學(xué)楊建華團(tuán)隊(duì)合作，基于微電子所研制的NbO_x-Mott憶阻器，構(gòu)建了一種高效的人工脈沖傳入神經(jīng)電路用于傳感器到脈沖數(shù)據(jù)處理中心之間的接口。NbO_x-Mott憶阻器作為一種新原理器件，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可微縮性好、易于大規(guī)模集成，具有高可靠性和豐富的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)變（絕緣態(tài)-金屬態(tài)轉(zhuǎn)變）特性。構(gòu)建的接口電路成功實(shí)現(xiàn)了傳感器感知的模擬電信號(hào)到頻率依賴的脈沖信號(hào)的轉(zhuǎn)換，簡(jiǎn)化了傳感器與脈沖數(shù)據(jù)處理中心的信息接口。其頻率響應(yīng)與非有害刺激強(qiáng)度下的輸入電壓呈現(xiàn)準(zhǔn)線性關(guān)系，且傾向于在有害輸入強(qiáng)度下停止發(fā)放脈沖，與生物傳入神經(jīng)相似。為了驗(yàn)證該接口的應(yīng)用，研究人員進(jìn)一步將該傳入神經(jīng)電路與壓電傳感器連接，構(gòu)建了一個(gè)無需任何外部電源的人工脈沖機(jī)械感受系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)毫π盘?hào)做出響應(yīng)，并將壓力強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的脈沖頻率以供脈沖數(shù)據(jù)處理中心使用。

　　此外，該接口電路易于擴(kuò)展至處理來自各種傳感器的信號(hào)，如嗅覺、味覺、視覺、聽覺、溫度、磁場(chǎng)和濕度等。傳入神經(jīng)電路（接口電路）除可用于構(gòu)建多種傳感系統(tǒng)外，還具有神經(jīng)元的積分發(fā)射特性，適用于實(shí)現(xiàn)脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。該神經(jīng)電路可進(jìn)一步用于構(gòu)造復(fù)雜的脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來處理信息，有望實(shí)現(xiàn)集感存算于一體的高效智能終端系統(tǒng)。

　　上述研究成果于1月2日發(fā)表在《自然-通訊》期刊上（Nature Communications，DOI:10.1038/s41467-019-13827-6）。微電子所博士生張續(xù)猛為該文章的第一作者，微電子所研究員劉明、劉琦和馬薩諸塞大學(xué)教授楊建華為共同通訊作者。上述工作部分得到國家基金委、科技部、中科院等的資助。

　　論文鏈接

　　a.生物體機(jī)械感受系統(tǒng)原理圖。皮膚中的感受器感受外界刺激，傳入神經(jīng)產(chǎn)生動(dòng)作電位并傳輸?shù)酱竽X皮層的中樞系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步處理；b.人工機(jī)械脈沖感受系統(tǒng)原理圖，包括壓電傳感器和傳入神經(jīng)電路（ASAN）。傳入神經(jīng)電路產(chǎn)生脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（SNNs）可以處理的脈沖信號(hào)