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 據報道，近日，浙江大學硅材料國家重點實驗室的楊德仁院士和皮孝東教授等人利用硅納米晶體的突出光電性能，制備出了能耗可以低至皮焦耳（pJ）光遺傳學啟發的神經突觸器件。這些器件首次實現了神經突觸器件的電刺激（光輸出）。它們能夠模擬生物神經突觸的一系列重要的行為如短程可塑性、長程可塑性和尖峰時序可塑性。它們也可以進行邏輯計算，有望實現存儲和計算的一體化。相關研究成果發表在了學術期刊Nano Energy（《納米能源》）上。

目前的計算主要基于馮·諾依曼架構，其主要實現形式就是以電子晶體管為核心的集成電路。半個多世紀以來，集成電路的發展一直遵循摩爾定律。然而，時至今日，摩爾定律的失效已經近在咫尺，即集成電路的集成度已經逼近極限。集成電路目前最迫切需要解決的問題是高度集成所導致的高能耗，我們很多人感受過的電腦發燙就是因為集成電路的能耗大。

眾所周知，人腦具有高智能和低能耗的特點，所以發展模擬人腦的神經擬態計算成為了一種非常誘人的選擇。另外，神經擬態計算也可以有力推動機器學習等人工智能的發展。考慮到在生物神經系統中，信號的傳遞都是通過神經突觸實現的，所以模擬生物神經突觸的神經突觸器件就成為了發展神經擬態計算所必需的核心器件。

近年來，人們已經制備出了電刺激-電輸出的神經突觸器件。從2017年開始，人們意識到，借鑒神經科學中的光遺傳學研究成果，把光引入神經突觸器件，有望顯著改善神經突觸器件及其集成所形成的神經網絡的性能。前期這些引入了光的光電神經突觸器件在光的刺激下輸出電信號，可以很好地模擬生物神經突觸的行為。但是，從神經突觸器件集成形成神經網絡的角度考慮，在電刺激下輸出光信號的神經突觸器件也是必需的，這樣才能實現光電的相互轉換，從而形成光電集成的神經網絡。

在楊德仁和皮孝東教授等人的工作中，他們發現硅納米晶體的發光器件可以在電脈沖的刺激下發光，其發光大約在20毫秒內衰減，這與生物神經突觸的信號傳遞類似。這促使他們制備了基于硅納米晶體的電刺激-光輸出的光電神經突觸器件。楊德仁和皮孝東研究團隊的趙雙易博士介紹說，這些器件能夠模擬生物神經突觸的可塑性的原因在于注入到硅納米晶體的電子可以被硅納米晶體表面的電子陷阱所俘獲，然后被釋放而隧穿至相鄰的硅納米晶體。有意思的是，通過把硅納米晶體發光器件的電刺激與發光功率關聯還可以實現“與”和“或”邏輯門，而把硅納米晶體發光器件的電刺激與器件電阻關聯則可以實現“非與”和“非或”邏輯門。表明基于硅納米晶體的光電神經突觸器件具有邏輯運算功能。

半導體硅是馮·諾依曼計算中最核心的材料。半個多世紀來發展日趨完善的半導體硅材料及其相關技術是否也能在新興的神經擬態計算中得到重要應用是一個很令人感興趣的問題。楊德仁和皮孝東等科學家的工作正在試圖回答這個問題。作為一種重要的硅材料形態，硅納米晶體憑借其突出的光電性能已經在面向神經擬態計算的器件應用中展現出了發展潛力。這將鼓勵人們針對硅基神經擬態計算中的核心器件如神經突觸器件及其集成神經網絡進行更加深入的研究。