Memristors with diffusive dynamics as synaptic emulators for neuromorphic computing

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作者
Zhongrui Wang,Saumil Joshi,Sergey Savel’ev,Hao Jiang,Rivu Midya,Peng Lin,Miao Hu,Ning Ge,John Paul Strachan,Zhiyong Li,Qing Wu,Mark Barnell,Geng-Lin Li,Huolin L. Xin,R. Stanley Williams,Qiangfei Xia,J. Joshua Yang
出处
期刊:Nature Materials [Springer Nature]
卷期号:16 (1): 101-108 被引量:1591
标识
DOI:10.1038/nmat4756
摘要

The accumulation and extrusion of Ca2+ in the pre- and postsynaptic compartments play a critical role in initiating plastic changes in biological synapses. To emulate this fundamental process in electronic devices, we developed diffusive Ag-in-oxide memristors with a temporal response during and after stimulation similar to that of the synaptic Ca2+ dynamics. In situ high-resolution transmission electron microscopy and nanoparticle dynamics simulations both demonstrate that Ag atoms disperse under electrical bias and regroup spontaneously under zero bias because of interfacial energy minimization, closely resembling synaptic influx and extrusion of Ca2+, respectively. The diffusive memristor and its dynamics enable a direct emulation of both short- and long-term plasticity of biological synapses, representing an advance in hardware implementation of neuromorphic functionalities. Calcium ions play a vital role in enabling synaptic plasticity in biological systems. The dynamic behaviour of these ions has now been emulated in a metal atom diffusion-based memristor.
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