Memristors have demonstrated immense potential as building blocks in future adaptive neuromorphic architectures. Recently, there has been focus on emulating specific synaptic functions of the mammalian nervous system by either tailoring the functional oxides or engineering the external programming hardware. However, high device-to-device variability in memristors induced by the electroforming process and complicated programming hardware are among the key challenges that hinder achieving biomimetic neuromorphic networks. Here, an electroforming-free and complementary metal oxide semiconductor (CMOS)-compatible memristor based on oxygen-deficient SrTiO$_{3-x}$ (STO$_x$) is reported to imitate synaptic learning rules. Through spectroscopic and cross-sectional transmission electron microscopic analyses, electroforming-free characteristics are attributed to the bandgap reduction of STO$_x$ by the formation of oxygen vacancies. The potential of such memristors to behave as artificial synapses is demonstrated by successfully implementing high order time- and rate-dependent synaptic learning rules. Also, a simple hybrid CMOS-memristor approach is presented to implement a variety of synaptic learning rules. Results are benchmarked against biological measurements form hippocampal and visual cortices with good agreement. This demonstration is a step towards the realization of large scale adaptive neuromorphic computation and networks.


翻译:最近,通过对功能氧化物进行裁剪或对外部编程硬件进行工程设计,重点模拟哺乳动物神经系统特定的神经合成功能;然而,由电成过程和复杂的编程硬件引发的内膜设备到装置的高度变异性是阻碍实现生物模拟神经变形网络的关键挑战之一。这里,一个无电成形和互补的金属氧化物半导体(CMOS)兼容的神经神经系统(SCMOS),以氧缺氧的SrTIO$=3-x}(STO$_x$)为基础,以模拟哺乳动物神经系统特定的合成功能功能;不过,通过电成形过程和复杂的程序设计硬件硬件,通过光化和跨导导导导传输电子变变变变变变异性分析,无电化特性可归因于通过形成氧空缺而使STO_x$的波状下降。 成功执行高序和速变变变变变变变变型的系统,通过成功地执行高序、高序和速变形的Symal-MO学习规则。

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