基于VO2 Mott忆阻器的被动可扩展高阶神经形态电路：实现生物神经元多模态放电行为的新突破

《IEEE Journal on Exploratory Solid-State Computational Devices and Circuits》：A Passive and Scalable High-Order Neuromorphic Circuit Enabled by Mott Memristors

本研究针对传统CMOS神经元电路结构复杂、难以大规模扩展的问题，提出了一种基于VO2 Mott忆阻器的被动可扩展高阶神经形态电路。该电路仅需两个VO2 Mott忆阻器、三个电容器和两个电阻器即可模拟11种生物神经元放电行为（包括紧张性簇发放电、阈下振荡等），并通过调节电容电阻值实现簇内峰电位间隔（ISI）和簇间静息期的精确调控。这种无偏压供电、无电感器的设计显著提高了电路互联性和能效，为脉冲神经网络（SNN）的发展提供了新思路。

　　

随着大数据和人工智能的快速发展，传统冯·诺依曼架构因存储与计算分离而产生的"内存墙"和"功耗墙"问题日益凸显。受生物大脑启发的神经形态计算架构成为解决这一挑战的有效途径。然而，基于CMOS技术的神经元电路虽能模拟部分生物神经元行为，但其复杂结构需要大量器件，不仅增加了芯片设计难度，也限制了实际应用。与此形成对比的是，忆阻器凭借非线性特性、简单结构、快速切换速度和低功耗等优势，特别是利用NbO_x和VO_x等Mott绝缘体作为电阻切换层的Mott忆阻器，能够通过单一器件产生振荡脉冲，有效模拟生物大脑中神经元的行为，实现复杂信息的同步处理与存储。

在这项发表于《IEEE Journal on Exploratory Solid-State Computational Devices and Circuits》的研究中，西安交通大学微电子学院的林梓康、吴晓辉等研究人员成功制备了VO₂ Mott忆阻器，并在此基础上提出了一种被动可扩展的高阶神经电路新架构。

研究人员采用薄膜沉积技术制备了具有Ti/Pt/VO₂/Pt通孔结构的Mott忆阻器，通过电形成过程激活器件后，利用LTSPICE软件建立器件模型并模拟高阶神经元电路。该电路数学模型基于HP实验室提出的理论框架，通过节点电压法推导出四阶微分方程，完整描述了电路动态特性。

数学模型

研究团队建立了VO₂ Mott忆阻器的详细数学模型，其中通道电阻R_ch(x)和热导率Γ_th(x)均为状态变量x的函数。通过求解四个节点电压方程，完整描述了这一四阶神经元电路的动态行为。仿真模型中还考虑了500Ω的串联电极电阻和1.5kΩ的VO₂通道漏电阻的影响。

高阶神经元电路的脉冲放电行为

该研究最引人注目的成果是单个四阶神经元电路能够产生11种不同类型的神经形态行为。当输入电流I_in作为神经元刺激时，输出电压V_out呈现出丰富多样的放电模式。

这些行为包括：紧张性簇发放电（神经元以周期性方式产生一系列相对均匀分布的峰电位）；阈下振荡（低于阈值的输入电流引起的低振幅周期性电位波动）；相位簇发放电（刺激后快速产生一系列峰电位然后进入静止状态）；周期性峰电位（以特定频率连续产生峰电位）；峰电位潜伏期（从刺激到产生第一个峰电位所需时间）；不应期（动作电位后对进一步刺激无反应的自我保护期）；反弹峰电位（抑制性刺激后产生的一系列峰电位）；簇发潜伏期（从刺激到开始产生爆炸性放电的时间）；II类兴奋性（不同强度输入电流下周期性峰电位频率保持恒定）；全或无放电（低于阈值无反应，超过阈值立即产生峰电位）；以及适应现象（神经元对缓慢上升的输入电流逐渐适应而不产生峰电位）。

高阶神经形态电路的可调簇发放电行为

簇发放电是神经元活动的主要形式，其中神经元重复发射离散的峰电位组，每组之后是静息期。研究人员发现，通过调整电容值、电阻值或输入电流强度，可以精确调控簇发放电特性。

固定C₂(=1pF)和C₃(=1pF)值并调节C₁和R₁时，电路呈现三种不同区域：红色区域对应紧张性簇发放电（c2模式）；蓝色区域呈现混沌行为；绿色区域则产生稳定可控的簇发放电行为（c1[n]模式，n表示每个簇中的峰电位数量）。

以c1[5]模式为例，该模式产生由五个峰电位组成的簇。值得注意的是，在c1[n]模式下，第一级（对应图2中的M₁忆阻器阶段）发射n+1次，而第二级（M₂忆阻器阶段）发射n次，最终形成包含n个峰电位的簇。

从快慢动力学角度分析，该高阶神经元电路采用双周期性模式运行：第一级提供慢动态行为，第二级提供快速动态，RC桥接电路提供两级之间的耦合。两个VO₂ Mott忆阻器通过电容器耦合，其动态行为相互影响，导致脉冲频率与电流之间存在非线性关系。C₁和C₂分别对第一级和第二级的放电频率和启动电压有重要影响，R₁调节两级的耦合程度，C₃决定响应速度。

VO₂ Mott忆阻器在功能上类似于生物神经元中的通道蛋白。VO₂表现出温度诱导的相变：当受到外部电场或热变化刺激时，它从绝缘态切换到导电态。这种相变类似于通道蛋白通过打开或关闭来响应生物信号以调节离子流动的方式。通过这种机制，VO₂忆阻器能够在不同的电导状态之间切换，有效模拟生物信号传输中看到的动态电流调制。

该研究成功展示了一种基于自制VO₂ Mott忆阻器的被动可扩展高阶神经元电路，在模拟生物神经元行为方面取得了显著进展。该电路能够表现出11种不同的放电行为，包括可控的簇发放电模式。通过调节电容和电阻值，可以调控簇中的峰电位数量、簇内峰电位间隔以及簇间的静息期，增强了其在人工神经网络各种应用中的多功能性。无偏压电源或电感器的设计不仅简化了电路结构，还提高了可扩展性和效率，使其成为未来集成到更大系统中的有前途的候选方案。这些发现强调了Mott忆阻器在构建人工神经电路方面的潜力，为开发能够以类似于生物系统的方式处理和存储信息的脉冲神经网络铺平了道路。