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Logic gates based on neuristors made from two-dimensional materials

XNOR门 逻辑门 电子线路 计算机科学 加法器 和或反转 逻辑族 晶体管 与非门 电子工程 材料科学 通流晶体管逻辑 数字电子学 逻辑综合 电气工程 算法 光电子学 CMOS芯片 工程类 电压
作者
Huawei Chen,Xiaoyong Xue,Chunsen Liu,Jinbei Fang,Zhen Wang,Jianlu Wang,David Wei Zhang,Weida Hu,Peng Zhou
出处
期刊:Nature electronics [Nature Portfolio]
卷期号:4 (6): 399-404 被引量:182
标识
DOI:10.1038/s41928-021-00591-z
摘要

A single biological neuron can efficiently perform Boolean operations. Artificial neuromorphic systems, on the other hand, typically require several devices to complete a single operation. Here, we show that neuristors that exploit the intrinsic polarity of two-dimensional materials can perform logic operations in a single device. XNOR gates can be made using ambipolar tungsten diselenide (WSe2), NOR gates using p-type black phosphorus, and OR and AND gates using n-type molybdenum disulfide (MoS2) of different thicknesses. To illustrate the potential of the neuristors, we fabricate logic half-adder and parity-checker circuits using a WSe2 neuristor and a MoS2 neuristor in a two-transistor two-resistor configuration, offering an area saving of 78% compared to circuits based on MoS2 gates in a traditional design. We also propose a binary neural network that is based on a three-dimensional XNOR array, which simulations show should offer an energy efficiency of 622.35 tera-operations per second per watt and a power consumption of 7.31 mW. By using two-dimensional materials with different polarities, single neuristors can act as XNOR, NOR, OR and AND logic gates.
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