基于生物仿生的非对称双栅极野火 FET 用于模拟神经元和树突动态的神经系统
新兴技术
2025-04-22 v1
摘要
神经系统旨在复制生物神经网络的功能，以实现对AI计算平台的显著性能和效率提升。然而，这些系统通常仅限于模拟简单神经元和突触，忽略了大脑其他组件（如星形胶质细胞和树突）所启用的更高阶功能。本文受生物学启发，引入一种紧凑型双栅极野火场效应晶体管 (DG-FeFET) 单元，可在神经系统架构中模拟星形胶质细胞和树突的动态。我们展示，凭借用于突触权重编程的野火顶栅（如传统突触）和非野火背栅，DG-FeFET 实现了一种突触器件，具备动态增益调制机制。可作为星形胶质三联体突触的类比器件，亦可实现树突式增益调制运算。通过采用全耗尽硅绝缘层上器件 (FDSOI) FeFET 作为双栅极器件，通过系统的理论和实验研究，验证了通过背栅端子（即位于绝缘层下方的栅极）对突触权重进行线性控制的能力。我们展示了此类三联体突触器件在诸多重要神经系统应用中的潜力，例如通过星形胶质功能实现故障神经系统硬件的自主自修复。基于树突功能仿真的蜻蜓捕食者拦截电路模型也被证明可实现。本工作为开发超越当前仅关注神经元和突触的“类大脑”神经硬件铺平了道路。
引用
@article{arxiv.2504.14466,
title = {A Bio-inspired Asymmetric Double-Gate Ferroelectric FET for Emulating Astrocyte and Dendrite Dynamics in Neuromorphic Systems},
author = {Zhouhang Jiang and A N M Nafiul Islam and Zhuangyu Han and Zijian Zhao and Franz Müller and Jiahui Duan and Halid Mulaosmanovic and Stefan Dünkel and Sven Beyer and Sourav Dutta and Vijaykrishnan Narayanan and Thomas Kämpfe and Suma George Cardwell and Frances Chance and Abhronil Sengupta and Kai Ni},
journal= {arXiv preprint arXiv:2504.14466},
year = {2025}
}
备注
37 pages, 6 figure, 2 tables