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Artificial synaptic crossbar array memristors with interneuron function

Research Project

Project/Area Number 21K18723
Research Category

Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section Medium-sized Section 21:Electrical and electronic engineering and related fields
Research InstitutionOsaka University

Principal Investigator

Sakai Akira  大阪大学, 大学院基礎工学研究科, 教授 (20314031)

Project Period (FY) 2021-07-09 – 2023-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥6,370,000 (Direct Cost: ¥4,900,000、Indirect Cost: ¥1,470,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
Fiscal Year 2021: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000)
Keywordsメモリスタ / シナプス / ニューラルネットワーク / 介在ニューロン / 酸素空孔 / クロスバーアレイ / 連合学習 / パブロフ型条件付け / 人工シナプス / ドーパント / 有限要素法 / 電子線リソグラフィ / コンダクタンス
Outline of Research at the Start

従来のニューラルネットワーク(NN)のパーセプトロン型プラットフォームを、ハードウェアの観点から変革することを念頭に、ニューロモデュレーション機能を有する介在ニューロンを含むNNプラットフォームを創製する。ここでは、1)人工シナプスメモリスタを用いた多入力クロスバーアーキテクチャを構築し、2)電流注入・電界効果によるドーパント分布変遷の原子・電子的機構を実験・理論的に解明するとともに、3)介在ニューロン信号によって種々のシナプス可塑性を発現させ、NNプラットフォームとしての性能を実証する。

Outline of Final Research Achievements

To realize a neurochip with higher-order functions of the brain, we aimed to create a platform containing interneurons that express neuromodulation functions. As a result, we fabricated a 4-terminal artificial synaptic memristor device and achieved associative learning (Pavlovian conditioning) by inputting interneuron signals. In the simulation analysis of dopant distribution in the memristor, we were able to faithfully reproduce some of the experimental results by taking into account the temperature dependence of the oxygen vacancy flux due to diffusion and drift and the thermal diffusion effect. Furthermore, we developed a process for designing and fabricating crossbar array memristors and successfully implemented the interneuron function in these devices.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究の4端子人工シナプスメモリスタやクロスバーアレイメモリスタは、介在ニューロンをも有する脳神経回路を忠実に模倣する真のニューラルネットワーク(NN)である。従来のパーセプトロンからソフトウェア的に発展してきた機械学習アルゴリズムを、真の脳型ハードウェアを基盤とする新たなNNアルゴリズムに発展させる学術的な変革を生み出す可能性がある。介在ニューロンからの時間的連合入力によって一シナプスの重みを他のシナプスとの相関性をもって遷移させる「パブロフの犬」を模倣する連合学習など、高度なシナプス機能による高次脳・神経機能の実現を目指しており、将来的に人工知能を発展させうる研究として社会的にも意義深い。

Report

(3 results)
  • 2022 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2021 Research-status Report
  • Research Products

    (10 results)

All 2023 2022 2021 Other

All Journal Article (4 results) (of which Peer Reviewed: 4 results,  Open Access: 3 results) Presentation (5 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Invited: 1 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Gate-tunable plasticity in artificial synaptic devices based on four-terminal amorphous gallium oxide memristors2023

    • Author(s)
      Ikeuchi Taishi、Hayashi Yusuke、Tohei Tetsuya、Sakai Akira
    • Journal Title

      Applied Physics Express

      Volume: 16 Issue: 1 Pages: 015509-015509

    • DOI

      10.35848/1882-0786/acb0ae

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Interface engineering of amorphous gallium oxide crossbar array memristors for neuromorphic computing2023

    • Author(s)
      Masaoka Naoki、Hayashi Yusuke、Tohei Tetsuya、Sakai Akira
    • Journal Title

      Japanese Journal of Applied Physics

      Volume: 62 Issue: SC Pages: SC1035-SC1035

    • DOI

      10.35848/1347-4065/acb060

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] High-temperature operation of gallium oxide memristors up to 600?K2023

    • Author(s)
      Sato Kento、Hayashi Yusuke、Masaoka Naoki、Tohei Tetsuya、Sakai Akira
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 13 Issue: 1

    • DOI

      10.1038/s41598-023-28075-4

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Versatile Functionality of Four-Terminal TiO2-x Memristive Devices as Artificial Synapses for Neuromorphic Computing2022

    • Author(s)
      Ryotaro Miyake, Zenya Nagata, Kenta Adachi, Yusuke Hayashi, Tetsuya Tohei, Akira Sakai
    • Journal Title

      ACS Applied Electronic Materials

      Volume: - Issue: 5 Pages: 2326-2336

    • DOI

      10.1021/acsaelm.2c00161

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] Amorphous GaOx Crossbar Array Memristors for Artificial Synaptic Devices2022

    • Author(s)
      Naoki Masaoka, Yusuke Hayashi, Tetsuya Tohei, Akira Sakai
    • Organizer
      2022 International Conference on Solid-State Devices and Materials
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 酸素空孔分布制御型メモリスタを用いた多機能人工シナプス2022

    • Author(s)
      酒井 朗、林 侑介、藤平哲也
    • Organizer
      第69回応用物理学会春季学術講演会
    • Related Report
      2021 Research-status Report
    • Invited
  • [Presentation] 第一原理計算手法に基づく外部電場下におけるルチル型TiO2中の酸素空孔挙動の解析2021

    • Author(s)
      二宮雅輝、藤平哲也、林 侑介、酒井 朗
    • Organizer
      第82回応用物理学会秋季学術講演会
    • Related Report
      2021 Research-status Report
  • [Presentation] Pavlovian conditioning implemented in four-terminal TiO2-x memristive devices2021

    • Author(s)
      R. Miyake, K. Adachi, Y. Hayashi, T. Tohei, A. Sakai
    • Organizer
      MEMRISYS 2021
    • Related Report
      2021 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Habituation and sensitization properties mimicked in four-terminal TiO2-x memristive devices2021

    • Author(s)
      K. Adachi, Y. Hayashi, T. Tohei, A. Sakai
    • Organizer
      MEMRISYS 2021
    • Related Report
      2021 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Remarks] 生体の脳・神経系により近い人工シナプス素子を開発 4端子メモリスタ素子が高度な脳・神経機能を実現

    • URL

      https://resou.osaka-u.ac.jp/ja/research/2022/20220428_1

    • Related Report
      2022 Annual Research Report

URL: 

Published: 2021-07-13   Modified: 2024-01-30  

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