[发明专利]基于Ge2Sb2Te5的仿神经全光记忆器件

说明书

基于Ge2Sb2Te5的仿神经全光记忆器件，属于皮秒激光应用技术领域。本发明基于多脉冲作用和STDP神经记忆理论。非晶态Ge2Sb2Te5和光波导耦合，Ge2Sb2Te5通过磁控溅射的方式附着于光波导上，耦合区域为仿生神经突触间隙。本器件可以通过全光信号实现器件的读取、记忆与擦除的过程。并且由于晶态Ge2Sb2Te5的折射率高于非晶态的折射率，这使得材料晶化后相对于非晶态光更易于往Ge2Sb2Te5方向偏折，这有利于记忆区的信息保持，使器件在使用过程中不断强化记录。

技术领域

本发明涉及一种基于相变材料Ge2Sb2Te5的仿生记忆器件，采用皮秒激光作为能量和信号发生源，属于皮秒激光应用技术领域。

背景技术

在计算机科学领域，计算机广泛使用诺依曼结构。即输入信息由CPU编码，存到存储器的确定位置上，使用该数据时再从存储器中提取信息，这导致信息频繁往返于CPU和存储器。由于存储器与CPU之间带宽的限制，CPU的运算速度远大于信息往返于存储器和CPU之间线路的速度，导致实际运算速度的下降和功耗的提升，这称为诺依曼瓶颈。在进行需要大量存储信息的简单运算时(如图像识别等)，运算速度和功耗都受到诺依曼瓶颈的限制。因此设计一种突破诺依曼瓶颈的，处理器与存储器与一体的计算机结构，对未来计算机的发展十分重要。

突破诺依曼瓶颈的方案其实就在眼前，人脑就是一种处理器与存储器与一体的结构。人脑具有千亿个平行运算单元，可以完成非平行的信息处理。大脑的工作频率大约为10Hz，能量密度为每平方厘米10毫瓦。对比现在的计算机，工作频率为几GHz，能量密度可达100瓦每平方厘米。研究和对人脑的仿生一直是神经学家和计算机学家研究的重点。对于神经的记忆方法，Guo-qiang Bi和Mu-ming Poo在他们的研究中提出了一种理论，认为神经的记忆与突出前后电信号的时间差相关。通过研究他们发现突触前神经的信号先于突触后神经的信号到达突触，即可产生一种增益，使随后的神经信号易于通过突触。若突触后神经信号先于突触前神经信号到达突出，则会产生一种阻碍，使随后的电信号的传输在突触处受到阻碍。这种神经记忆理论被称为STDP(Spike-timing-dependent plasticity)

Ge2Sb2Te5是一种优秀的非易失性超快相变存储材料，通过电或光作用在材料上可以使材料生热，由于热作用的影响，可以使Ge2Sb2Te5实现其从晶态到非晶态以及非晶态到晶态的逆过程。当热高于晶化温度并低于非晶化温度时，材料可以从非晶态转变为晶态，当热高于非晶化温度，材料可由晶态转变为非晶态。Ge2Sb2Te5具有相变速度快、相变重复性强、非易失性、晶态于非晶态之间物理性质差异显著等优点。这使Ge2Sb2Te5成为一种极具应用价值的相变存储材料。

对1064nm的光，晶态Ge2Sb2Te5的折射率约为6，非晶态约为4。二氧化硅光纤芯层折射率约为1.5。由于Ge2Sb2Te5的折射率大于芯层折射率，当光通过Ge2Sb2Te5所在区域时，光纤中场向材料方向偏折，导致通过Ge2Sb2Te5的光的强度降低。晶态相对于非晶态的折射率高，因此场向Ge2Sb2Te5方向偏折得更多，反应在光纤上就是通过材料的光的透过率降低。

当下的计算机主要使用电信号，但随着导线宽度的降低，电流的热效应越来越明显，造成了严重的能源浪费。并且随着线宽的降低，电子隧穿效应导致进一步增大CPU处理器密度受到了严重障碍。使用全光信号处理信息，可以避免电流生热以及电子隧穿效应。

发明内容

本发明设计了一种基于Ge2Sb2Te5的全光控制非易失性存储器。

基于Ge2Sb2Te5的仿神经全光记忆器件，其特征在于，将Ge2Sb2Te5和光波导进行耦合，Ge2Sb2Te5通过磁控溅射的方式附着于光波导中间一段的表面上形成耦合区，光波导左右两端通过光栅与光子光路耦合。

光波导为棒状结构，光栅位于棒状结构轴向的两端。Ge2Sb2Te5附着于光波导中间一段的表面上形成封闭环状结构。