腦機(jī)啟偵丨單分子神經(jīng)形態(tài)器件研究取得新進(jìn)展（04.09）

近日，我國某研究團(tuán)隊在單個分子上實現(xiàn)極低功耗的神經(jīng)形態(tài)功能演示，相關(guān)研究成果以“Single-molecule neuromorphic device with aJ-level power consumption per switching”為題在線發(fā)表于Nature Communication。

當(dāng)前用于大模型訓(xùn)練與推理的高性能GPU單卡功耗通常已達(dá)數(shù)百瓦，先進(jìn)器件如NVIDIA H100約為700瓦、B200約為1000瓦，而人腦僅需約20瓦的極低功耗即可高效完成感知、學(xué)習(xí)與記憶等復(fù)雜任務(wù)，顯示出生物智能在能效上的顯著優(yōu)勢。生物智能之所以能以如此低的能耗實現(xiàn)復(fù)雜功能，其關(guān)鍵在于神經(jīng)元之間通過突觸進(jìn)行信息傳遞，并能通過“突觸可塑性”動態(tài)調(diào)節(jié)連接強(qiáng)度，這構(gòu)成了生物智能低功耗運(yùn)行的物理基礎(chǔ)。為模擬這一特性，開發(fā)具備多個穩(wěn)定中間態(tài)的人工突觸器件已成為神經(jīng)形態(tài)計算的核心訴求，而單分子器件因其極限的尺寸縮減潛力與理論低能耗，被認(rèn)為是構(gòu)建下一代類腦硬件的理想基元。然而，受制于分子在室溫下熱力學(xué)構(gòu)象穩(wěn)定性的局限，現(xiàn)有器件難以實現(xiàn)單分子水平上的多態(tài)非易失性電導(dǎo)調(diào)控。受生物突觸離子通道動力學(xué)啟發(fā)，在單分子尺度調(diào)控離子-分子靜電相互作用，為在單個分子中鎖定多個穩(wěn)定構(gòu)象、實現(xiàn)多態(tài)非易失性存儲提供了新思路。

研究團(tuán)隊面向這一前沿問題，建立柵壓-偏壓脈沖協(xié)同調(diào)制方法，與中科院化學(xué)所張德清研究員合作，設(shè)計了噻吩-甲氧基苯O-S構(gòu)象鎖分子（MeO-TBT），通過柵壓脈沖驅(qū)動電解質(zhì)陽離子與O-S偶極發(fā)生離子-偶極作用削弱構(gòu)象鎖，與此同時施加偏壓脈沖誘導(dǎo)噻吩-苯環(huán)骨架趨平，二面角變小從而提升單分子電導(dǎo)（圖a）。該單分子器件可模擬突觸可塑性行為，單次操作能耗低至約6.34阿焦耳（圖b），可實現(xiàn)超過10個可分辨電導(dǎo)態(tài)（圖c）。進(jìn)一步地，器件進(jìn)行了類腦任務(wù)演示，包括巴甫洛夫聯(lián)想學(xué)習(xí)（圖d）和摩斯電碼識別（圖e），說明該器件不僅能“感知”刺激，還具備初步“學(xué)習(xí)”和“識別”能力。為揭示器件為何能夠?qū)崿F(xiàn)多態(tài)存儲與記憶，研究團(tuán)隊進(jìn)一步結(jié)合大規(guī)模分子動力學(xué)模擬、透射譜和能量計算發(fā)現(xiàn)：在不同離子-偶極作用距離下，分子處于不同耦合/解耦狀態(tài)，透射效率隨之系統(tǒng)變化；再結(jié)合離子擴(kuò)散弛豫與分子多個低能壘構(gòu)象分布，共同解釋了器件的多電導(dǎo)態(tài)和非易失記憶行為。該研究表明，離子-分子協(xié)同調(diào)控為單分子神經(jīng)形態(tài)器件提供了一條可編程、可解釋的新路徑，也為發(fā)展原子級、超低功耗智能芯片提供了新思路。

來源：Nature

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-71127-2

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