Next-generation neuromorphic computing aims to create a highly integrated and energy-efficient computing network by emulating the way human brain processes information. Artificial synapses and artificial neurons which are implemented through nonvolatile and volatile memristors are getting attention due to their hysteretic and resistive switching properties and spiking characteristics. Since the retention of the memristor is significantly determined by the material properties, previous studies have focused on implementing artificial neuron and synapse with different materials. Methods of connecting memristor-based artificial synapses with bulky CMOS neurons or connecting neurons and synapses with different materials have been mainly reported. However, these methods not only increase process complexity and cost, but also have disadvantages in that retention of each unit cannot be precisely controlled. In this paper, a method to control retention via laser irradiation is reported based on Pt/SiO2:Ag/Au-structured single device. This retention control resulted in the transition from volatile to nonvolatile switching of memristor, which is suitable for simultaneously emulating neurons and synapses. Leaky integrate-and-fire (LIF) of biological neurons and synaptic plasticity of biological synapses were both emulated by using artificial memristive neural components. In addition, the retention control mechanism was investigated through various material analyses.
차세대 뉴로모픽 컴퓨팅은 인간의 뇌가 정보를 처리하는 방식을 모방하여 고집적 및 에너지 효율적인 컴퓨팅 네트워크를 만드는 것을 목표로 한다. 비휘발성 및 휘발성 멤리스터를 통해 구현되는 인공 시냅스 및 인공 뉴런은 저항성 스위칭 특성과 스파이킹 특성으로 인해 주목받고 있다. 멤리스터의 휘발성을 결정하는 핵심 요소인 리텐션은 물질의 물성에 크게 좌우되기 때문에, 기존의 연구들은 인공 뉴런과 시냅스를 각기 다른 물질로 구현하는 데 집중되어 왔다. 특히 멤리스터 기반의 인공 시냅스를 부피가 큰 트랜지스터 기반 뉴런과 연결하거나, 뉴런과 시냅스를 다른 물질로 제작하여 연결하는 방법이 주로 보고되었다. 그러나 이러한 방법들은 공정의 복잡성과 비용을 증가시킬 뿐만 아니라 각 소자의 리텐션을 정밀하게 제어할 수 없는 단점이 있다. 본 논문에서는 Pt/SiO2:Ag/Au 구조 단일 소자 기반으로, 레이저 조사를 통한 리텐션 제어 방법을 보고하였다. 리텐션 제어를 통하여 휘발성 멤리스터를 비휘발성 멤리스터로 변화시켜, 생물학적 뉴런의 발화 특성과 생물학적 시냅스의 시냅스 가소성을 모사하였다. 또한 리텐션 제어 메커니즘 분석을 위해 다양한 물질 분석 및 시뮬레이션이 시행되었다.
