Nanoelectronic programmable synapses based on phase change materials for brain-inspired computing

Nano Letters

Volumn 12, Issue 5, 2012, Pages 2179-2186

  Kuzum, Duygu ^a   Jeyasingh, Rakesh G D ^a   Lee, Byoungil ^a   Wong, H S Philip ^a  

^a Stanford University   (United States)

Author keywords

Brain inspired computing; nanoelectronics; phase change materials; spike timing dependent plasticity; synapse

Indexed keywords

BIOLOGICAL SYNAPSIS; BRAIN-INSPIRED; BUILDING BLOCKES; COMPUTATIONAL SYSTEM; CONTINUOUS RESISTANCES; DIGITAL LOGIC; LEARNING RULES; NANO SCALE; NANOSCALE DEVICE; NANOSCALE ELECTRONICS; NON-VOLATILE MEMORY APPLICATION; PROGRAMMABLE SYNAPSIS; SPIKE TIMING DEPENDENT PLASTICITIES; SPIKE-TIMING-DEPENDENT PLASTICITY; SYNAPSE;

BRAIN; ENERGY UTILIZATION; INFORMATION TECHNOLOGY; NANOELECTRONICS;

PHASE CHANGE MATERIALS;

ARTICLE; BRAIN; ELECTRONICS; NANOTECHNOLOGY; PHYSIOLOGY; SYNAPSE; TRANSMISSION ELECTRON MICROSCOPY;

BRAIN; ELECTRONICS; MICROSCOPY, ELECTRON, TRANSMISSION; NANOTECHNOLOGY; SYNAPSES;

EID: 84861089198     PISSN: 15306984     EISSN: 15306992     Source Type: Journal    
DOI: 10.1021/nl201040y     Document Type: Article

References (56)

1. Special Issue Proc. IEEE 2008, 96, 2.
2. Borwein, J. M.; Borwein, P. B., Pi and the AGM: a study in analytic number theory and computational complexity; Wiley: New York, 1987.
3. DARPA/DSO BAA08-28. Systems of Neuromorphic Adaptive Plastic Scalable Electronics (SyNAPSE), www.darpa.mil/dso/solicitations/BAA08-28.pdf.
4. IBM unveils a new brain simulator, IEEE Spectrum, Nov 2009.
5. Drachman, D. Neurology 2005, 64, 2004-2005
6. Dan, Y.; Poo, M. M. Physiol. Rev. 2006, 86, 1033-1048
7. Hebb, D. The organization of behavior; a neuropsychological theory; Wiley: New York, 1949.
8. Bi, G. Q.; Poo, M. M. J. Neurosci. 1998, 18, 10464-10472
9. Zhang, L. I.; Tao, H. W.; Holt, C. E.; Harris, W. A.; Poo, M. M. Nature 1998, 395, 37-44
10. Markram, H.; Lubke, J.; Frotscher, M.; Sakmann, B. Science 1997, 275, 213-215
11. Song, S.; Abbott, L. F. Neuron 2001, 32, 339-350
12. Song, S.; Miller, K. D.; Abbott, L. F. Nat. Neurosci. 2000, 3, 919-926
13. Van Rossum, M. C. W.; Bi, G. Q.; Turrigiano, G. G. J. Neurosci. 2000, 20, 8812-8821
14. Brader, J. M.; Senn, W.; Fusi, S. Neural Comput. 2007, 19, 2881-2912
15. Arthur, J.; Boahen, K. Adv. Neural Inf. Process. Syst. 2006, 18, 75-82
16. Joshi, J.; Parker, A. C.; Hsu, C.-C. Conf. Proc. IEEE Eng. Med. Biol. Soc. 2009, 1651-1654
17. Tanaka, H.; Morie, T.; Aihara, K. Int. Congr. Ser. 2007, 1301, 152-155
18. Snider, G. S. IEEE/ACM Int. Symp. Nanoscale Architectures 2008, 85-92
19. Jo, S. H.; Chang, T.; Ebong, I.; Bhadviya, B. B.; Mazumder, P.; Lu, W. Nano Lett. 2010, 10, 1297-1301
20. Alibart, F.; Pleutin, S.; Geurin, D.; Novembre, C.; Lenfant, S.; Lmimouni, K.; Gamrat, C.; Vuillaume, D. Adv. Funct. Mater. 2010, 20, 330-337
21. Lai, S. IEDM '03 Tech. Dig. 2003, 10.1.1-10.1.4
22. Ovshinsky, S. R. Phys. Rev. Lett. 1968, 21, 1450-1452
23. Lankhorst, M. H. R.; Ketelaars, B. W. S. M. M.; Wolter, R. A. Nat. Mater. 2005, 4, 347-352
24. Servalli, G. IEDM '09 Tech. Dig. 2009, 5.7.1-5.7.4
25. Bez, R. IEDM '09 Tech. Dig. 2009, 5.1.1-5.1.4
26. Oh, J. H.; Park, J. H.; Lim, Y. S.; Lim, H. S.; Oh, Y. T.; Kim, J. S.; Shin, J. M.; Song, Y. J.; Ryoo, K. C.; Lim, D. W.; Park, S. S.; Kim, J. I.; Kim, J. H.; Yu, J.; Yeung, F.; Jeong, C. W.; Kong, J. H.; Kang, D. H.; Koh, G. H.; Jeong, G. T.; Jeong, H. S.; Kim, K. IEDM '06 Tech. Dig. 2006, 49-53
27. Villa, C.; Mills, D.; Barkley, G.; Giduturi, H.; Schippers, S.; Vimercati, D. ISSCC 2010.
28. Raoux, S. Annu. Rev. Mater. Res. 2009, 39, 25-48
29. Nakayama, K.; Takata, M.; Kasai, T.; Kitagawa, A.; Akita, J. J. Phys. D: Appl. Phys. 2007, 40, 5061-5065
30. Nirschl, T.; Phipp, J. B.; Happ, T. D.; Burr, G. W.; Rajendran, B.; Lee, M.-H.; Schrott, A.; Yang, M.; Breitwisch, M.; Chen, C.-F.; Joseph, E.; Lamorey, M.; Cheek, R.; Chen, S.-H.; Zaidi, S.; Raoux, S.; Chen, Y. C.; Zhu, Y.; Bergmann, R.; Lung, H.-L.; Lam, C. IEDM'07 Tech. Dig. 2007, 461-464
31. Ielmini, D.; Lacaita, A. L.; Pirovano, A.; Pellizzer, F.; Bez, R. IEEE Electron Device Lett. 2004, 25, 507-509
32. Multiphysics and Simulation Software: COMSOL. http://www.comsol.com/
33. Bi, G.; Poo, M. Annu. Rev. Neurosci. 2001, 24, 139-166
34. Froemke, R. C.; Dan, Y. Nature 2002, 416, 433-438
35. Levy, W.; Steward, O. Neuroscience 1983, 8, 791-797
36. Pratt, K.; Dong, W.; Aizenman, C. Nat. Neurosci. 2008, 11, 467-475
37. Wittenberg, G.; Wang, S. J. Neurosci. 2006, 26, 6610-6617
38. Zhang, X.; Zhang, J.; Chen, C. Biochem. Biophys. Res. Commun. 2009, 383, 326-330
39. Cassenaer, S.; Laurent, G. Nature 2007, 448, 709-713
40. Fiete, I. R.; Senn, W.; Wang, C. H. Z.; Hahnloser, R. H. R. Neuron 2010, 65, 563-576
41. Hayashi, H.; Igarashi, J. Cognit. Neurodyn. 2009, 3, 119-130
42. Froemke, R. C.; Tsay, I. A.; Raad, M.; Long, J. D.; Dan, Y. J. Neurophysiol. 2006, 95, 1620-1629
43. Indiveri, G.; Chicca, E.; Douglas, R. IEEE Trans. Neural Net. 2006, 17, 211-221
44. Pirovano, A.; Lacaita, A. L.; Benvenuti, A.; Pellizzer, F.; Hudgens, S.; Bez, R. IEDM '03 Tech. Dig. 2003, 29.6.1-29.6.4
45. Sasago, Y.; Kinoshita, M.; Morikawa, T.; Kurotsuchi, K.; Hanzawa, S.; Mine, T.; Shima, A.; Fujisaki, Y.; Kume, H.; Moriya, H.; Takaura, N.; Torii, K. Symp. VLSI Technol., Dig. Tech. Pap. 2009, 24-25
46. Ha, Y. H.; Yi, J. H.; Horii, H.; Park, J. H.; Joo, S. H.; Park, S. O.; U-In Chung; Moon, J. T. Symp. VLSI Technol., Dig. Tech. Pap. 2003, 175-176
47. Pellizzer, F.; Benvenuti, A.; Gleixner, B.; Kim, Y.; Johnson, B.; Magistretti, M.; Marangon, T.; Pirovano, A.; Bez, R.; Atwood, G. Symp. VLSI Technol., Dig. Tech. Pap. 2006, 122-123
48. Chen, W. S.; Lee, C.; Chao, D. S.; Chen, Y. C.; Chen, F.; Chen, C. W.; Yen, R.; Chen, M. J.; Wang, W. H.; Hsiao, T. C.; Yeh, J. T.; Chiou, S. H.; Liu, M. Y.; Wang, T. C.; Chein, L. L.; Huang, C.; Shih, N. T.; Tu, L. S.; Huang, D.; Yu, T. H.; Kao, M. J.; Tsai, M.-J. IEDM '07 Tech. Dig. 2007, 319-322
49. Pirovano, A.; Pellizzer, F.; Tortorelli, I.; Harrigan, R.; Magistretti, M.; Petruzza, P.; Varesi, E.; Erbetta, D.; Marangon, T.; Bedeschi, F.; Fackenthal, R.; Atwood, G.; Bez, R. 37th ESSDERC 2007, 222-225
50. Breitwisch, M.; Nirschl, T.; Chen, C. F.; Zhu, Y.; Lee, M. H.; Lamorey, M.; Burr, G. W.; Joseph, E.; Schrott, A.; Philipp, J. B.; Cheek, R.; Happ, T. D.; Chen, S. H.; Zaidr, S.; Flaitz, P.; Bruley, J.; Dasaka, R.; Rajendran, B.; Rossnage, S.; Yang, M.; Chen, Y. C.; Bergmann, R.; Lung, H. L.; Lam, C. Symp. VLSI Technol., Dig. Tech. Pap. 2007, 100-101
51. Ahn, S. J.; Hwang, Y. N.; Song, Y. J.; Lee, S. H.; Lee, S. Y.; Park, J. H.; Jeong, C. W.; Ryoo, K. C.; Shin, J. M.; Fai, Y.; Oh, J. H.; Koh, G. H.; Jeong, G. T.; Joo, S. H.; Choi, S. H.; Son, Y. H.; Shin, J. C.; Kim, Y. T.; Jeong, H. S.; Kim, K. Symp. VLSI Technol., Dig. Tech. Pap. 2005, 98-99
52. Song, Y. J.; Ryoo, K. C.; Hwang, Y. N.; Jeong, C. W.; Lim, D. W.; Park, S. S.; Kim, J. I.; Kim, J. H.; Lee, S. Y.; Kong, J. H.; Ahn, S. J.; Lee, S. H.; Park, J. H.; Oh, J. H.; Oh, Y. T.; Kim, J. S.; Shin, J. M.; Fai, Y.; Koh, G. H.; Jeong, G. T.; Kim, R. H.; Lim, H. S.; Park, I. S.; Jeong, H. S.; Kinam Kim Symp. VLSI Technol., Dig. Tech. Pap. 2006, 118-119
53. Hwang, Y. N.; Lee, S. H.; Ahn, S. J.; Lee, S. Y.; Ryoo, K. C.; Hong, H. S.; Koo, H. C.; Yeung, F.; Oh, J. H.; Kim, H. J.; Jeong, W. C.; Park, J. H.; Horii, H.; Ha, Y. H.; Yi, J. H.; Koh, G. H.; Jeong, G. T.; Jeong, H. S.; Kinam Kim IEDM '03 Tech. Dig. 2003, 37.1.1-37.1.4
54. Lee, J. I.; Park, H.; Cho, S. L.; Park, Y. L.; Bae, B. J.; Park, J. H.; Park, J. S.; An, H. G.; Bae, J. S.; Ahn, D. H.; Kim, Y. T.; Horii, H.; Song, S. A.; Shin, J. C.; Park, S. O.; Kim, H. S.; U-In Chung; Moon, J. T.; Ryu, B. I. Symp. VLSI Technol., Dig. Tech. Pap. 2007, 102-103
55. Xiong, F.; Liao, A.; Estrada, D.; Pop, E. Science 2011, DOI: 10.1126/science.1201938.
56. Caldwell, M. A.; Raoux, S.; Wang, R. Y.; Wong, H.-S. P.; Milliron, D. J. J. Mater. Chem. 2010, 20, 1285-1291