传统计算机架构中，信息存储器和处理器是分离的，总线是连接存储器和处理器的信息传递通道，其有限的数据传输速率被称为“冯*诺依曼瓶颈”，严重限制了计算机的发展。而人脑的信息存储和处理没有明显的界限，人脑中包含了多达千万亿个突触，突触是人脑进行信息存储和处理的基本单元，突触可塑性被认为是人脑记忆和学习功能的重要基础。忆阻器作为一种新型存储器，是具有记忆功能的非线性电阻，其电阻值能够随电荷流经的方向和数量发生变化。忆阻器的这一特性极其类似于人脑突触的连接强度在生物电信号刺激下的自适应调节，可用来研制类脑存储器芯片，实现类似于人脑突触的信息存储和处理一体化功能，将为构建突破“冯?诺依曼瓶颈”的新型计算机体系结构提供一种崭新的方法和思路。
光电信息学院微电子学系信息存储材料及器件研究团队一直致力于新型信息存储材料及器件的研究。最近，博士生李祎、钟应鹏和许磊等在缪向水教授的指导下，在基于硫系化合物材料的忆阻器中，成功实现类似于人脑的活动时序依赖突触可塑性（Spike-timing dependent plasticity, STDP）功能。相关结果于4月8日发表在Nature出版集团刊物《科学报告》（Scientific Reports），论文题为“硫系化合物忆阻器中的超快突触事件”（Ultrafast synaptic events in a chalcogenidememristor）。
研究人员发现了晶态Ge2Sb2Te5硫系化合物材料的忆阻特性，提出了其阻态变化源于晶格空位及晶界悬挂键等缺陷产生的陷阱能级俘获和释放电荷的过程，并实验验证了其空间电荷限制导电模型。他们制备了T型结构忆阻器这种电子突触器件，施加纳秒级正负电脉冲对忆阻器电阻实现了重复可控的渐变调控，用于达到突触权重在增强和抑制信号刺激下的自适应调节。
通过设计突触前和突触后神经元刺激信号，研究人员成功演示了四种不同形式的STDP功能，并对STDP时间窗口进行了从毫秒级到纳秒级的有效调控，最快STDP功能时间窗口达500 ns，比人脑STDP功能所需时间（~50 ms）快十万倍。该器件还能够实现类神经元的阈值激发等功能，并具有超快操作速度、低操作电压、易于三维集成等优势，在未来可用于类脑存储器芯片。
该项工作得到了国家国际科技合作项目（No.2010DFA11050）和国家863主题项目（No.2011AA010404）的支持。
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