Parallel Spatial Photonic Programming of Optoelectronic IGZO RRAM with a compact LED Array
本文展示了一种利用紧凑型自由空间 LED 阵列对光电 IGZO RRAM 器件进行的可扩展、并行空间编程方法，该方法能够实现同时进行的光学 SET 和电学 RESET 操作，并具有用于神经形态计算应用的持久光电流效应。
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当今的计算机构建在一种将思考与记忆分离的逻辑之上。在沿用了数十年的标准设计中，处理器计算结果，然后将其发送到独立的存储单元进行存储，之后再为下一步骤重新提取该结果。这种数据的不断搬运造成了瓶颈，减慢了系统速度并消耗了大量能量，尤其是在试图模拟人类大脑复杂的并行处理过程时。为了解决这一问题，科学家们正在开发一种新型硬件，将存储与处理功能整合到单个设备中，就像我们自身的神经系统中的突触一样。这些被称为忆阻器（memristors）的设备可以通过改变其内部电阻来存储信息，从而有效地记住过去的输入。虽然传统的版本依赖电流来写入和擦除这种记忆，但一个更前沿的领域正在兴起，即利用光本身来编程这些设备。这种方法有望将光学的高速和并行性直接引入存储芯片的核心，从而可能让计算机在将光转换为电信号之前，就能直接处理视觉信息。
在最近的一项研究中，来自斯特拉斯克莱德大学和爱丁堡大学的研究人员通过创建一个使用紧凑型微型发光二极管阵列的系统，向这一目标迈出了重要一步，该系统利用这些二极管在光敏存储单元网格上写入信息模式。团队专注于一种名为氧化铟镓锌（indium gallium zinc oxide）的特定材料，这是一种在暴露于光照时会改变其电学性质的半导体。他们利用这种材料的层叠结构制造了小型双端器件，并在单个芯片上排列了32个。为了控制这些器件，他们没有使用单束激光或复杂的光学装置，而是使用了一个定制的微型LED阵列。该阵列由数百个微小的光源组成，每个光源都可以独立开启或关闭，就像一个数字投影仪，可以直接将光“绘画”到芯片上的特定位置。
研究人员发现，将这些微型LED发出的蓝光照射到存储单元上，会导致其电阻发生剧烈且可控的变化。当光线击中材料时，电阻下降，从而有效地在设备中“写入”了一个新状态。这一过程与仅使用电力的过程截然相反；施加负向电压会增加电阻。通过结合这两种方法，团队展示了一个混合系统，其中光可以设定存储状态，而电可以将其重置。这种相互抵消的机制使他们能够精细调节设备的行为，创造出一个可以用光进行编程、用电脉冲进行清除的系统。研究表明，光诱导的变化并非瞬时的；这些设备能保持信息相当长的一段时间，并在几分钟内缓慢恢复。这种缓慢恢复的过程模仿了生物学中的一个概念，即“褪去记忆”（fading memory），即对近期事件的记忆会持续一段时间才会最终消失，这对于需要处理随时间变化的序列事件的系统来说是非常理想的特性。
为了证明该系统能够处理复杂任务，团队测试了它记忆模式的能力。他们编写了一个包含四个比特信息的序列，其中每个比特由一次闪光或光的缺失来表示。由于记忆消退缓慢，设备在序列结束时的状态是所有四个输入的混合体。通过读取最终的电阻，他们可以高精度地分辨出不同的四比特模式。这证明了单个器件可以作为一个时间编码器，记住它接收到的光脉冲的历史。随后，研究人员将其规模扩大，展示了他们如何使用四个不同的微型LED同时对四个不同的存储单元进行编程。他们将各种空间光模式投影到芯片上，每个单元仅对照射到它的光做出反应，而不会受到相邻单元的干扰。这种并行操作证明了该系统可以在一次闪光中而非逐位写入的情况下，将整个图像或数据矩阵写入芯片。
实验的成功取决于光与材料相互作用的具体方式。器件中使用的氧化铟镓锌层含有氧原子缺失导致的微小缺陷。当蓝光击中材料时，会激发这些缺陷，释放出自由流动的电子并降低电阻。当光移除后，电子会缓慢地被重新捕获，电阻也会逐渐回升。研究人员发现，通过调节光脉冲的亮度、持续时间和频率，可以控制电阻的变化程度。他们还发现，在制造过程中对材料进行加热可以改变其响应方式，从而允许他们通过调节来优化设备性能。通过使用高分辨率显微物镜来聚焦来自微型LED的光，他们确保了光能精准地击中微型存储单元，最大限度地减少了一个单元影响另一个单元的可能性。
这项工作凸显了神经形态计算的一个实用路径，即硬件本身的设计旨在以大脑的方式处理信息。通过使用光来编程存储，该系统避免了通过导线移动电流所带来的热量和能量成本。直接在芯片上写入空间模式的能力表明，未来的设备可以与摄像头或传感器集成，从而实现视觉数据的即时处理。研究人员表明，他们的方法具有可扩展性，这意味着相同的原理可以应用于更大规模的存储单元阵列。虽然目前的设置使用了特定类型的光和特定的材料，但利用光来控制存储状态的底层概念，为开发更快、更高效且能够处理现代世界海量数据流的新一代计算机打开了大门。这项研究证实，光不仅是传输信息的一种方式，更是塑造机器记忆的强大工具。
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