Spiking neurons with spatiotemporal dynamics and gain modulation for monolithically integrated memristive neural networks

记忆电阻器 神经形态工程学 计算机科学 人工神经网络 尖峰神经网络 物理神经网络 调制(音乐) 生物系统 人工智能 电子工程 物理 循环神经网络 工程类 人工神经网络的类型 声学 生物
作者
Qingxi Duan,Zhaokun Jing,Xiaolong Zou,Yanghao Wang,Yang Ke,Teng Zhang,Si Wu,Ru Huang,Yuchao Yang
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:11 (1) 被引量:230
标识
DOI:10.1038/s41467-020-17215-3
摘要

Abstract As a key building block of biological cortex, neurons are powerful information processing units and can achieve highly complex nonlinear computations even in individual cells. Hardware implementation of artificial neurons with similar capability is of great significance for the construction of intelligent, neuromorphic systems. Here, we demonstrate an artificial neuron based on NbO x volatile memristor that not only realizes traditional all-or-nothing, threshold-driven spiking and spatiotemporal integration, but also enables dynamic logic including XOR function that is not linearly separable and multiplicative gain modulation among different dendritic inputs, therefore surpassing neuronal functions described by a simple point neuron model. A monolithically integrated 4 × 4 fully memristive neural network consisting of volatile NbO x memristor based neurons and nonvolatile TaO x memristor based synapses in a single crossbar array is experimentally demonstrated, showing capability in pattern recognition through online learning using a simplified δ-rule and coincidence detection, which paves the way for bio-inspired intelligent systems.
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