【忆阻器与神经元突触联系的分析】 神经元之间除了经典突触联系外

　　摘 要：忆阻器作为“丢失的原件”被华裔科学家蔡少棠提出，是连接磁通和电荷的电学器件。忆阻器的可操控性和记忆功能，类似神经元细胞的性能。应用忆阻器代替现有晶体管的开关功能，是解决信号的通断智能控制的最理想办法，进而实现神经形态计算系统的智能控制。
　　关键词： 忆阻器；记忆功能；神经元；神经形态工程
　　0 前言
　　飞速发展的信息处理时代要求功能更密集和智能化的微处理器，神经形态工程是解决电路整体构架建立理想计算的有效途径。忆阻器的记忆功能和可操控性，类似于生物体的神经元突触，进行信号传递的同时，判断处理并记忆信号。应用忆阻器的这些功能可以实现纳米级的智能运算电路和记忆电路同时共存，而且随需要进行调整。超出了现有处理器的逻辑设计理念，为神经形态工程是解决电路整体构架建立理想计算提供了新的可实现方法，这或许代表着新一代的智能处理器的诞生。
　　1 忆阻器分析
　　忆阻器[1]早在1971年由华裔科学家蔡少棠在研究电荷、电流、电压和磁通量之间的关系时提出。我们现今大量使用的电阻，电容和电感分别代表着电压与电流、电荷与电压、磁通与电流之间的关系，而忆阻器这一概念代表着电荷与磁通量之间的关系，正好填补了连接磁通和电荷这一器件的空白，称之为被遗漏的“第四种电子元件”，如图1所示。
　　图1 电路基本变量及器件的相互关系
　　根据法拉第电磁感应定律及复合函数求导法则，可见忆阻器的电压V是与电流I及忆阻值的积有关。
　　忆阻器的是实质是一个非线性记忆元件，它的电阻会随着通过的电流的增大或减小变化自身的阻值，当电流减小为零时，它的电阻仍然会保持在减为零之前的状态；等到接受到反向的电流时，它的状态值才会被推回去，如果定义高阻态为“1”，低阻态为“0”，就可以实现存储数据的功能。当电流通过在一个方向记忆电阻，电阻增大；当电流流动方向相反，电阻值下降。当电流停止时，忆阻器保留了最后的抵抗值，当电荷的流动再次启动，电路的电阻是它最后的活动电阻值。只要时间积分的电流保持在一定范围内，这一特性呈现的大约线性关系。
　　蔡少棠先生虽然在理论上预测了忆阻器元件的存在，但之后几十年研究者一直未找到具有此特性的元器件。2008年惠普公司资讯与量子系统实验室的研究成果显示[2]，二氧化钛薄膜基本可以实现忆阻器的这一特性要求，从而证实了“第四种电子元件”忆阻器的存在。两个电极中间夹放二氧化钛薄膜材料，这些材料由两部分组成，一半是正常的二氧化钛，另一半是掺杂部分，掺杂部分的部分二氧化钛分子缺少氧原子。电流通过电阻变化的氧空位，造成一种渐进和持续的电阻变化。当掺杂部分带正电，电流通过时电阻比较小，而且当电流从掺杂部分的一边通向正常的一边时，在电场的影响之下缺少氧原子的一侧会逐渐往正常的一侧游移，使得以整块材料来言，掺杂部分的部份会占比较高的比重，整体的电阻也就会降低。反之，当电流从正常的一侧流向掺杂部分一侧的一侧时，电场会把缺氧的二氧化钛分子从回推，电阻就会跟着增加。使忆阻器电阻变化的根本原因是，二氧化钛材料中的氧空位迁移，实际上就是一个有记忆功能的非线性电阻器。
　　图2 二氧化钛薄膜模型（电阻增加）
　　图3 二氧化钛薄膜模型（电阻减小）
　　2 忆阻器与神经元的联系
　　由于忆阻器具有记忆功能，所以在在生物学及人工智能研究方面，可利用忆阻器模拟一些生物学上的现象，例如采用忆阻器模拟神经元的突触是比较恰当的。
　　突触是两个神经元之间或神经元与效应器细胞之间相互接触、
　　并借以传递信息的连接体。突触有三部分组成：突触前、后膜以及两膜间的窄缝——突触间隙。轴突是神经冲动信号传递到突触小体的路径，信号到达突触小体后，突触前膜的通透性增加，促使递质进入突触小体内，促使产生突触小泡，并与突触前膜融合，小泡分离破裂后，小泡内的神经递质乙酰胆碱释放到突触间隙中，并且经过游离到达突触后膜，与突触后膜上的受体，主要是蛋白质结构进行结合，此时改变突触后膜的通透性，引起突触后膜变化。在这个过程中，神经递质的作用是携带传递信息。
　　二氧化钛中游离的氧原子就像突触中的神经递质，具有传递信息和保存记忆的功能。当电流消失后游离的氧原子保存之前的电信号数据，使之不会消失，当电流再次出现时，能恢复到记忆时的状态。而突触间的神经递质在信号传递后不会马上消失，即记忆信号。
　　图4 突触简化模型与忆阻器模型
　　本文以生物学中神经系统来类比未处理系统，突触类比忆阻器，游离的氧原子则相当于突触小体释放神经递质。需要强调的是：突触传递信息是单向的，由突触前膜向突触后膜释放神经递质进行信息传递。信息需要回送时则需要另一个突触来完成。而忆阻器中游离的氧原子的移动是双向的，由电流的方向决定。
　　人类的神经系统是强大而完善的，突触进行信息的传递和记忆，神经元细胞进行信息的处理与综合，神经元细胞之间的搭接形成强大的神经网络系统。因此具有信息传递控制和记忆功能的忆阻器是构建智能化神经形态工程的基本原件。
　　3 结论
　　忆阻器是一种非线性记忆元件，它的记忆功能和电磁特性是可以通过改变材料的结构而进行人为控制的。本文通过对忆阻器和神经元的类比发现，忆阻器的信号传递方式与神经元的突触小体极为相似，进而得出由忆阻器组成的智能微处理器与人类神经网络的相近之处，为以后研究只能为处理器提供类比参照。本文的初衷就是进行创造性的思考，对忆阻器的本质和功能有更深刻的认识。
　　参考文献：
　　[1]Chua, Leon O. Memristor - The Missing Circuit Element. IEEE Transactions on Circuit Theory. 1971, 18 (5): 507-519.
　　[2]Strukov, Dmitri B, Snider, Gregory S, Stewart, Duncan R and Williams, Stanley R. The missing memristor found. Nature. 2008, 453: 80-83.