生物啟發(fā)脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)有望通過(guò)模擬人腦的高算力、高并行度、低功耗等特性，解決馮·諾依曼架構(gòu)存儲(chǔ)墻和能效瓶頸等問(wèn)題。但面向構(gòu)建脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的神經(jīng)形態(tài)硬件的研究尚處于探索階段，基于傳統(tǒng)CMOS的神經(jīng)形態(tài)芯片通常需要數(shù)十個(gè)晶體管和若干電容；基于新型存儲(chǔ)器等新原理神經(jīng)元器件亦需集成額外電容或復(fù)位操作電路，且耐久性受限，難以滿足高頻神經(jīng)元器件的信息整合處理需求。自旋電子器件具有高能效、高耐久性及更豐富的物理特性，成為神經(jīng)形態(tài)硬件開(kāi)發(fā)最具潛質(zhì)的載體之一。 

       近日，微電子所微電子器件與集成技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室劉明院士團(tuán)隊(duì)基于合成反鐵磁異質(zhì)結(jié)構(gòu)，通過(guò)界面工程有效調(diào)控磁疇壁動(dòng)力學(xué)特性，在無(wú)需電容和復(fù)位電路的情況下，實(shí)現(xiàn)了具有積累—泄露—放電—自復(fù)位特性的神經(jīng)元器件及陣列。團(tuán)隊(duì)提出并驗(yàn)證了體系焦耳熱依賴的Ruderman–Kittel–Kasuya–Yosida交換作用和內(nèi)建磁場(chǎng)相互競(jìng)爭(zhēng)驅(qū)動(dòng)磁疇壁往復(fù)運(yùn)動(dòng)物理機(jī)制，有望實(shí)現(xiàn)高放電率（17 MHz）、低能耗（486 fJ/spike）神經(jīng)元集成器件。團(tuán)隊(duì)結(jié)合負(fù)微分電阻器件特性構(gòu)建了“winner-takes-all”的神經(jīng)元電路模塊，提升了脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)性能的同時(shí)可大幅降低網(wǎng)絡(luò)功耗。團(tuán)隊(duì)基于所開(kāi)發(fā)器件磁疇壁動(dòng)力學(xué)物理模型模擬神經(jīng)元行為特性，進(jìn)一步構(gòu)建了兩層脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（興奮性神經(jīng)元+抑制性神經(jīng)元layer），該體系架構(gòu)對(duì)Modified National Institute of Standards and Technology, MNIST手寫(xiě)數(shù)字集的基準(zhǔn)識(shí)別率達(dá)到88.5%，為神經(jīng)形態(tài)計(jì)算領(lǐng)域提供了一個(gè)硬件開(kāi)發(fā)的新思路。 

　　該工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委、中科院先導(dǎo)等項(xiàng)目支持。研究成果以“Spintronic leaky-integrate-fire spiking neurons with self-reset and winner-takes-all for neuromorphic computing”為題在《自然·通訊》（Nature Communications）期刊在線發(fā)表，并被選為“編輯亮點(diǎn)推薦工作”，實(shí)現(xiàn)了微電子所在自旋電子器件研究領(lǐng)域Nature子刊零的突破。微電子所博士研究生王迪為文章第一作者，微電子所邢國(guó)忠研究員為通訊作者。 　　  

　　全文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-36728-1 

圖a/b自旋電子神經(jīng)元器件磁光顯微鏡磁-電輸運(yùn)測(cè)試與磁光克爾數(shù)據(jù)圖像

圖c神經(jīng)元器件磁滯回線

圖d磁光克爾與霍爾電壓信號(hào)LIFT特性