神經(jīng)形態(tài)計(jì)算因其在AI和大數(shù)據(jù)分析中的巨大應(yīng)用潛力, 在全球范圍內(nèi)引起了廣泛關(guān)注。為克服傳統(tǒng)CMOS晶體管技術(shù)局限，科研人員長期致力于探索基于新型非易失性存儲器（NVMs）和自旋電子器件的硬件實(shí)現(xiàn)方案。目前，已有多種類型的NVMs被用于實(shí)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中各種運(yùn)算并顯示出廣闊前景，其中自旋電子器件憑借自身豐富和可控的自旋動力學(xué)特性, 被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)模擬突觸和神經(jīng)元功能的理想候選之一。

近日, 微電子所重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室劉明院士/邢國忠研究員團(tuán)隊(duì)基于全電控磁疇壁（DW）動力學(xué)特性，成功開發(fā)了磁疇壁隧道結(jié)（DW-MTJ）器件且實(shí)現(xiàn)線性權(quán)重更新和非線性激活函數(shù)功能，首次實(shí)驗(yàn)演示并驗(yàn)證了DW-MTJ集成器件實(shí)現(xiàn)全自旋人工突觸和神經(jīng)元功能, 為高度可擴(kuò)展的集成神經(jīng)形態(tài)電路奠定了基礎(chǔ)。團(tuán)隊(duì)利用自旋-軌道耦合和界面 Dzyaloshinskii-Moriya interaction協(xié)同效應(yīng), 實(shí)現(xiàn)了可編程的多態(tài)突觸器件且具有高可靠性。第一性原理計(jì)算表明, 5d 和 3d 原子間距可控壓縮增強(qiáng)了 Dzyaloshinskii-Moriya 反對稱相互作用, 從而穩(wěn)定了磁疇壁釘扎，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該機(jī)制的有效性?；谧孕?軌道矩對磁疇壁的高效驅(qū)動和可靠釘扎，團(tuán)隊(duì)展示了具有 Sigmoid 型激活函數(shù)的自旋神經(jīng)元, 最高工作頻率達(dá) 20 MHz，能耗僅為508 fJ/spike。緊湊Sigmoid 型神經(jīng)元電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了低功耗運(yùn)行。該工作充分展示了DW-MTJ自旋電子器件在神經(jīng)形態(tài)計(jì)算應(yīng)用中的巨大潛力，為實(shí)現(xiàn)高能效、高可靠且可擴(kuò)展的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)提供了硬件開發(fā)的新路徑。

該工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院戰(zhàn)略先導(dǎo)B等項(xiàng)目支持。研究成果以“Domain wall magnetic tunnel junction-based artificial synapses and neurons for all-spin neuromorphic hardware”為題在《自然?通訊》期刊在線發(fā)表, 這是繼本課題組2023年實(shí)現(xiàn)微電子所在自旋電子器件研究領(lǐng)域Nature子刊零的突破后，又一次發(fā)表高質(zhì)量工作成果。微電子所博士研究生劉龍為文章第一作者, 微電子所邢國忠研究員、劉明院士為共同通訊作者。

開發(fā)的DW-MTJ全自旋神經(jīng)元和神經(jīng)形態(tài)計(jì)算電路仿真及硬件實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

DW-MTJ基全自旋神經(jīng)形態(tài)計(jì)算硬件研制及電路實(shí)現(xiàn)演示