侧边栅极创新，一颗晶体管兼顾运算与存储

神经形态计算是一种计算范式，其在硬件架构与动态运行机制上均模拟人脑工作模式。该技术可构建一体化存储、运算信息的电子电路，工作原理类似生物体内的神经元与突触网络。

为实现这一目标，一支国际科研团队研发出一款新型电子器件，巴西圣卡洛斯联邦大学精确科学与技术中心（CCET-UFSCar）正教授Victor López-Richard为核心研究者之一。相关成果发表于《Nature Communications》，为神经形态计算领域发展提供了重要支撑。

集成存储功能的新型晶体管

传统计算机的运算单元与存储单元相互分离，而神经形态计算旨在将两类功能集成至同一基底，复刻生物突触的特性。

López-Richard解释道：“该器件基于铝酸镧（LaAlO₃）与钛酸锶（SrTiO₃）两种氧化物的界面结构。两种材料的交界面会形成准二维电子气，构成可电控导电沟道。从本质上看，该器件属于晶体管，同时还能兼具忆阻器与忆容器的功能。”

晶体管用于调控电路电流，充当开关或信号放大器；电阻阻碍电流流通；电容存储电荷并可释放。这款新型器件融合了以上全部功能，并新增存储特性。它不仅具备晶体管的基础作用，还可作为忆阻器（电阻值由历史输入信号决定）、忆容器（电容值随系统过往工作状态变化）使用。

这种对历史信号状态的依赖，让器件特性高度贴近生物突触。除此之外，该器件拥有独特的架构与工作模式。López-Richard表示：“在结构设计上，它最核心的创新是采用侧边控制栅极，区别于传统金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）栅极覆盖导电沟道的经典结构。”

MOSFET是一类用于控制、放大、切换电信号的晶体管，包含三大核心电极：控制器件通断的栅极、电子流入的源极、电子流出的漏极，功能如同“电控水龙头”。施加在栅极的电压，决定源极与漏极之间能否导通电流。

而本次研发的器件采用完全不同的电极排布方案。

侧边栅极实现模拟信号特性

工作层面，该器件属于模拟器件，与当下主流数字芯片形成鲜明区别。这位研究者介绍：“模拟工作模式支持器件呈现多种中间态，而非传统数字晶体管仅有导通、关断两种状态。”

本研究的核心研究方向，是厘清存储效应背后的物理机制。二维电子气是导电的核心载体，但并非存储功能的主要来源。“二维电子气会影响存储性能，但决定存储效应的状态变量，是侧边栅极中积累的电荷；这些电荷直接调控导电沟道的导通状态。”López-Richard说道。

侧边栅极的电荷会逐步、可控地累积，通过静电效应改变导电沟道特性。这套物理机制与主流存储器件普遍采用的氧空位迁移机理存在本质区别。

本研究最核心的创新点为电子多态性：单一枚器件可实现多种电路功能，仅需调整外部电路接线方式即可切换工作模式。研究者总结：“仅插拔、连通或断开外接端口，就能改变器件的功能属性。”

论文作者表示，多功能集成可大幅减少器件互联线路数量、降低整体功耗，而互联开销与高能耗正是当前传统计算体系的两大核心瓶颈。

低功耗完成类脑运算任务

团队通过实验验证，该器件可高效完成多种仿生计算任务，例如储备池计算；依托非线性响应与短时存储特性，它还能识别低分辨率图像中的0至9数字等简单图形。器件同时具备突触可塑性——在反复刺激下可临时或永久强化信号响应，完美复刻生物学习过程。

除此之外，该器件支持可重构逻辑运算，可在器件内部直接完成“与、或、非”等逻辑运算并保存运算结果，无需外接独立存储器。分析数据显示，该器件单次运算能耗仅为数纳焦，低于同等功能的传统硬件架构。

长达十余年的跨国持续合作

尽管取得阶段性突破，研究团队强调本成果仍处于基础研究早期阶段。López-Richard坦言：“目前我们仅完成概念验证，属于基础科研范畴。若要推出商用产品，还需攻克多项技术难题，包括实现大规模制备、兼容现有成熟工艺、统一器件间性能差异等。”

这项成果源自持续十余年的国际科研合作。López-Richard介绍：“我们与德国维尔茨堡大学（尤利乌斯-马克西米利安维尔茨堡大学，JMU）的合作始于2013至2015年的联合项目。该项目虽已结题，但双方科研协作仍在持续推进。”

团队同期在《Applied PhysicsLetters》发表配套补充研究，论文被期刊编辑选为重点推介文章，进一步深挖该类器件的电容存储特性。“在配套研究中，我们结合实验数据与理论建模证实，模拟忆容特性由侧边浮栅的电荷局域化机制主导，能够精准、可逆地调控电容参数。该结论是研发低功耗、高效率存储器件的核心理论支撑。”López-Richard说道。